Page 1

К.Н. Маренич, И.В. Ковалёва АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ШАХТ ОТ АВАРИЙНЫХ И ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ

Учебное пособие для студентов высших учебных заведений


ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

К.Н. Маренич, И.В. Ковалёва

АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ШАХТ ОТ АВАРИЙНИХ И ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ

Рекомендовано Учёным советом Донецкого національного технического университета в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Донецк ООО «Технопарк ДонГТУ «УНИТЕХ» 2015 1


УДК 622.012.2:621.316 ББК 34.7 M 25 Рекомендовано Учёным советом ГВУЗ "Донецкий национальный технический университет" (г. Донецк) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, протокол №5 от 19.06.2015 г. Авторы (сведения по состотянию на 2013 г.): МАРЕНИЧ Константин Николаевич, профессор кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» ДонНТУ, кандидат технических наук, доцент; КОВАЛЁВА Инна Владимировна, доцент кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» ДонНТУ, кандидат технических наук Рецензенты: Дзюбан В.С. – докт. техн. наук, проф., первый заместитель директора Дирекции стратегии поставок электротехнической продукции ПрАО «Донецксталь» – Металлургический завод» (г. Донецк); Шкрабец Ф.П. – докт. техн. наук, проф., заведующий кафедрой «Восстанавливаемые источники энергии» ГВУЗ «Национальный горный университет» (г. Днепропетровск); Коптиков В.П. – докт. техн. наук, проф., заместитель директора Государственного Макеевского НИИ по безопасности работ в горной промышленности (г. Макеевка, Донецкая обл.)

M 25

Маренич К.Н. Автоматическая защита электрооборудования шахт от аварийных и опасных состояний: уч. пособ. для высш. учебн. заведений / К.Н. Маренич, И.В. Ковалёва. - Донецк: ООО «Технопарк ДонГТУ «УНИТЕХ», 2015. – 214 с. ISBN 978-966-8248-61-0 Дананное издание является авторским переводом (К.Н. Маренич, И.В. Ковалёва) на русский язык учебного пособия: Автоматичний захист електроустаткування шахт від аварійних станів і небезпек / Маренич К.М., Ковальова І.В. – Донецк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2013. – 209 с., рекомендованого Министерством образования и науки Украины (письмо №1/11-10190 от 17.06.2013 г.). В учебном пособии рассмотрены принципы построения и функционирования технических средств автоматической защиты рудничного электрооборудования от аварийных и опасных состояний, включая состояния междуфазного короткого и дугового замыкания, токовой перегрузки, утечки тока на землю. Освещены перспективные направления усовершенствования схемотехники защитных устройств. Рассмотрены принципы выявления аварийного состояния в участкой электросети автономными техническими устройствами со стороны присоединений статоров асинхронных двигателей потребителей, построение и функционирование технических устройств автоматического двустороннего защитного обесточивания шахтной участковой электросети. УДК 622.012.2:621.316

ISBN 978-966-8248-61-0

© К.Н. Маренич, И.В. Ковалёва, 2015 2


СОДЕРЖАНИЕ ПРЕДИСЛОВИЕ .............................................................................. РАЗДЕЛ 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АВАРИЙНЫХ И ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ШАХТ И РУДНИКОВ ..................................................................... 1.1 Система электроснабжения шахты как объект применения автоматических защит от аварийных и опасных состояний ..................................................................................... 1.1.1 Принципы построения схемы электроснабжения шахты ... 1.1.2 Общие принципы построения системы электроснабжения технологического участка шахты ................................... 1.1.3 Автоматический выключатель как исполнительное устройство защитного обесточивания участковой электросети ........................................................................................... 1.1.4 Магнитный пускатель как средство дистанционной коммутации силового присоединения системы электроснабжения шахтного участка......................................................... 1.1.5 Заземление корпусов электрооборудования как средство обеспечения безопасности его эксплуатации ....................... 1.2 Особенности процесса короткого замыкания в трёхфазной электросети с изолированной нейтралью трансформатора ....................................................................................... 1.3 Анализ опасностей электропоражения при эксплуатации шахтных участковых электроустановок ............................... 1.3.1 Условия электропоражения человека при касании к токоведущим частям................................................................... 1.3.2 Влияние состояния изоляции сети на безопасность эксплуатации электрооборудования ........................................... РАЗДЕЛ 2. УСТРОЙСТВО, ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СРЕДСТВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК .. 2.1 Принципы построения и средства максимальной токовой защиты электроустановок ...................................................... 2.1.1 Функциональные свойства электромагнитных расцепителей максимального тока ...................................................... 2.1.2 Устройство и свойства средств максимальной токовой защиты с регулированием уставки срабатывания ............... 3

6 8 8 8 11 15 18 26 29 40 40 45 51 51 52 54


2.2 2.2.1 2.2.2 2.3 2.4 2.5 2.5.1 2.5.2 2.5.3 2.5.4 2.5.5 2.5.6 2.6 2.7 2.8 2.9 2.9.1 2.9.2

Ограничение токовой перегрузки как мера противодействия воспламенению гибких кабелей при их междуфазном повреждении............................................................................... Устройство и защитная функция гибких кабелей с параметрами взрыво-пожаробезопасности .................................... Принципы автоматического ограничения тока короткого замыкания ................................................................................... Проблематика защиты от междуфазных замыканий через сопротивление электрической дуги ...................................... Автоматическая защита электрооборудования от перегрева вследствие токовых перегрузок ................................... Принципы построения средств защитного обесточивания цепи утечки тока на землю ..................................................... Устройство и свойства средств выявления состояния утечки тока на землю .............................................................. Автоматическая компенсация ёмкости изоляции сети........ Автоматическое закорачивание повреждённой фазы как средство ускорения обесточивания цепи утечки тока на землю ........................................................................................ Применение микропроцессорной схемотехники как средство расширения функциональных свойств устройств защиты от утечек тока на землю ............................... Устройство и функционирование средств защиты от утечек тока на землю в комбинированных электрических сетях шахтных участков ......................................................... Принцип автоматического селективного контроля параметров изоляции шахтных высоковольтных сетей .............. Средства автоматического блокирования включения коммутационного аппарата при повреждении изоляции отходящего кабеля .................................................................. Защитное отключение электроустановок при исчезновении напряжения в сети ………………...........................…. Защита электродвигателей от неполнофазного электропитания при применении тиристорных регуляторов напряжения .................................................................................. Системная автоматика шахтных высоковольтных сетей .... Автоматическое повторное включение ................................ Автоматическое включение резерва ..................................... 4

63 63 66 68 72 78 78 87 90 93 98 103 105 108 110 115 115 118


РАЗДЕЛ 3. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДАТЧИКОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ................................................................ 3.1 Датчики электрического тока ................................................ 3.1.1 Электромагнитные трансформаторы тока ............................ 3.1.2 Датчик тока «Катушка Роговского» ...................................... 3.1.3 Оптические датчики тока ....................................................... 3.1.4 Измерительные шунты ........................................................... 3.1.5 Датчики тока на основе эффекта Холла................................ 3.2 Преобразователи мощности ................................................... 3.3 Аппаратные средства температурной защиты электрических машин шахты .................................................................. 3.3.1 Датчики устройств температурной защиты электрических машин .............................................................................. 3.3.2 Аппараты «КОРД» защиты горных машин от перегрузок.. РАЗДЕЛ 4. ЗАЩИТНОЕ ПОДАВЛЕНИЕ ОБРАТНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТОКОВ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ................................................................................. 4.1 Обратные энергетические потоки асинхронных двигателей как фактор поддержания опасных состояний электрооборудования ..................................................................... 4.2 Устройство и проблематика применения системы опережающей защиты рудничных электроустановок ............... 4.3 Автономные устройства отделения от сети обратных энергетических потоков асинхронных двигателей: принципы устройства и защитные функции ................................. 4.4 Электробезопасность эксплуатации двухскоростного асинхронного двигателя ......................................................... 4.5 Индукционно-динамическое торможение асинхронного двигателя как средство прекращения действия обратного энергетического потока .......................................................... 4.6 Принудительное отключение контакторов магнитных пускателей как средство повышения быстродействия обесточивания участковой электросети ................................ ПРИЛОЖЕНИЯ ............................................................................... СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..............................................................

5

127 127 127 131 133 136 137 141 142 142 146 149 149 155 159 169 175 181 186 206


ПРЕДИСЛОВИЕ Горное производство представляет собой комплекс взаимосвязанных энергоёмких технологических процессов и предполагает применение высокомощного электромеханического оборудования в условиях потенциальной опасности возникновения пожара, взрыва метано-воздушной смеси или угольной пыли. Факторы опасности дополняются высокой степенью вероятности механического повреждения гибких кабелей участковых электросетей, которые применяются для подвода электроэнергии от участковых распредпунктов к электродвигателям потребителей. В результате таких повреждений могут возникать состояния междуфазных коротких замыканий, сопровождаемые воспламенениями электрооборудования; опасность электропоражения человека при касании фазного проводника, находящегося под напряжением. Эти обстоятельства обусловливают необходимость применения целого комплекса мер по защитному обесточиванию рудничных электротехнических комплексов при возникновении аварийных или опасных состояний, что реализуется соответствующими автоматическими средствами защиты. Решение задач, связанных с разработкой и эффективной эксплуатацией средств автоматической защиты электротехнического оборудования шахт от аварийных и опасных состояний в значительной степени определяется качеством подготовки специалистов в области автоматизации горно-технологических процессов. Учитывая это, в учебном пособии рассмотрение схемных решений и принципов работы типовых средств автоматической защиты рудничного электротехнического оборудования основано на анализе устройства и функционирования рудничных электротехнических комплексов в нормальном режиме эксплуатации и при возникновении аварийных и опасных состояний. Наряду с известными и распространёнными в горной промышленности защитными устройствами рассмотрены перспективные направления усовершенствования схемотехники автоматической защиты, включая микропроцессорные защитные средства, защитные свойства взрывозащищённых гибких шахтных кабелей. Особое внимание уделено рассмотрению принципов выявления аварийного состояния в кабелях участковой электросети автономными техническими средствами со стороны статорных цепей 6


асинхронных двигателей потребителей, построению и функционированию технических средств автоматического двустороннего защитного обесточивания шахтной участковой электросети. Актуальность этих вопросов обусловлена тенденцией относительно увеличения мощности электромеханического оборудования рудничных технологических установок и связана с повышением воздействующего фактора обратных ЭДС асинхронных двигателей потребителей в режиме свободного выбега при использовании увеличенных длин и сечений гибких кабелей; сетевого напряжения увеличенного номинального уровня. Всё это создаёт возможность формирования у студентов системы знаний по теории построения автоматических средств быстродействующего защитного обесточивания оборудования систем электроснабжения технологических установок с учётом специфики их рудничного исполнения и эксплуатации в условиях шахты. Подготовка учебного пособия базируется на многолетнем опыте преподавания учебных дисциплин, профильных для кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» Донецкого национального технического университета; результатах научных исследований и разработок авторов этого учебного пособия, а также выдающихся отечественных и зарубежных учёных, специализирующихся в вопросах автоматизации защиты промышленного электрооборудования от аварийных и опасных состояний.

7


РАЗДЕЛ 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АВАРИЙНЫХ И ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ШАХТ И РУДНИКОВ Учебной целью раздела является обретение студентами знаний относительно условий возникновения аварийных и опасных состояний оборудования рудничных электротехнических комплексов, особенностей типичных аварийных процессов в шахтных электросетях. Результатом освоения студентами материала раздела является знание условий возникновения аварийных и опасных состояний рудничного электрооборудования, процессов в электросети и электроустановках, которыми сопровождается их аварийные и опасные состояния, и принципов формирования информационных параметров для осуществления автоматической защиты рудничных электроустановок. 1.1 Система электроснабжения шахты как объект применения автоматических защит от аварийных и опасных состояний 1.1.1 Принципы построения схемы электроснабжения шахты Горное производство в условиях шахты характеризуется совокупностью взаимосвязанных технологических процессов (очистные и проходческие работы, подъём, локомотивный и конвейерный транспорт, водоотлив, вентиляция и др.), каждый из которых предусматривает применение мощного электромеханического оборудования. При этом обязательным условием применения установок шахтного людского подъёма, вентиляции горных выработок, водоотлива, обогрева воздуха в шахтных стволах (в зимний период) является обеспечение непрерывности электроснабжения, что необходимо для обеспечения безопасности персонала. Таким образом, шахта является высокомощным потребителем электрической энергии и, как потребитель, должна быть отнесена к первой категории электроснабжения. Задача обеспечения непрерывного электроснабжения шахты решается на основе резервирования источников электропитания и секционирования шин электропотребителей, что реализуется структурой схемы главной поверхностной (ГПП) и центральной подземной (ЦПП) подстанций (рис. 1.1). 8


Ввод №1 35 кВ ...220 кВ

Ввод №2 35 кВ ...220 кВ

Отделитель

Отделитель ВР

Короткозамыкатель

ВР

ГПП TV1

Короткозамыкатель TV2

6 кВ

6 кВ 6 кВ

АВР С

6 кВ

КУ

КУ 6/0,4

6/0,69 6/0,4

Потребители поверхности шахты АВР C

L2

L1

ЦПП В Ф Ф Ф Ф Ф Ф С Ф Ф Ф Ф Ф Ф В АВР УКРВ-6,3

УКРВ-6,3

Распределение электроэнергии напряжением 6 кВ на распределительные пункты технологических участков, удалённые высоковольтные распределительные пункты, дистанционный пуск/отключение высоковольтных асинхронных двигателей

Рисунок 1.1 – Схема подачи электроенергии потребителям шахты

9


В соответствии со схемой, подача электроэнергии на главную поверхностную подстанцию производится по двум независимым линиям электропередачи трёхфазным напряжением номинального уровня 35 кВ, либо 110 кВ или 220 кВ. Это напряжение подаётся на первичные обмотки трёхобмоточных трансформаторов TV1 и TV2 ГПП, первые вторичные обмотки которых задействованы (в соответствии со схемой) для электропитания напряжением 6 кВ подземных потребителей и подключены к соответствующим вводным распределительным устройствам (В) центральной подземной подстанции. Другие вторичные обмотки трансформаторов ГПП предусмотрены для электропитания напряжением 6 кВ потребителей поверхности. Гальваническое разделение подземных потребителей от потребителей поверхности позволяет: - избежать параллельного присоединения сопротивлений изоляции поверхностных и подземных электросетей и этим поддержать достаточно высокое сопротивление изоляции как подземной электросети, так и электросети поверхности; - исключить влияние на режим нейтрали подземных потребителей (обязательно – режим изолированной нейтрали) со стороны электротехнических комплексов поверхности. Применение секционных выключателей (С) между системами сборных шин потребителей поверхности, а также секционных высоковольтных распределительных устройств ЦПП обеспечивает выполнение функции автоматического включения резерва (АВР). В случае обесточивания одной из секций потребителей (например, в случае отказа трансформатора TV1 ГПП) секционный выключатель подключит эту секцию к источнику электропитания другой секции (выход трансформатора TV2 ГПП) и этим восстановит электропитание. Защита высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП) от грозовых перенапряжений осуществляется высоковольтными разрядниками (ВР), которые создают в искровом промежутке цепь повышенной проводимости на землю в случае возникновения чрезмерно высоких (в сравнении с номинальным) напряжений между ЛЭП и землёй. Компенсация реактивной мощности (создаваемой асинхронными двигателями потребителей) осуществляется установками косинусных конденсаторов (КУ) общепромышленного исполнения (на ГПП) и рудничного исполнения (типа УКРВ-6,3) на ЦПП, а питание низковольтных потребителей выполняется посредством соответствующих 10


понижающих силовых трёхфазных трансформаторов (TV3 – TV5, соответственно со схемой по рис. 1.1). Реакторы L1 и L2 применяют в случае необходимости для ограничения токов короткого замыкания на вводах ЦПП. Вероятным аварийным состоянием ЦПП следует считать короткое замыкание в силовых присоединениях, что требует применения устройств максимальной токовой защиты в составе схем фидерных (Ф) комплектных высоковольтных распределительных устройств. Распределённость потребителей поверхности обусловливает целесообразность применения средств максимальной токовой защиты с функцией селективности выявления и отключения аварийного участка высоковольтного присоединения. Наряду с этим, имеет место применение плавких предохранителей для защиты электроустановок при напряжении 35 кВ, 110 кВ, 220 кВ (высоковольтные трансформаторы в комплектных подстанциях, маломощные высоковольтные присоединения, в отношении которых не требуется автоматического повторного включения). Таким образом, автоматическая защита шахтных высоковольтных сетей и электротехнических установок должна быть распространена на выполнение следующих функций: - максимальная токовая защита высоковольтных присоединений; - селективная максимальная токовая защита распределённых потребителей поверхности; - автоматическое включение резерва (АВР) при обесточивании одного из двух независимых источников электропитания; - автоматическое повторное включение (АПВ) электроустановок (для которых правилами эксплуатации предусмотрена эта функция). 1.1.2 Общие принципы построения технологического участка шахты

системы

электроснабжения

Процесс добычи угля на современном горном предприятии осуществляется при условии функционирования многочисленных технологических установок: очистных и подготовительных комплексов, конвейерного и локомотивного транспорта, водоотлива, вентиляции, шахтного подъёма и др. Все эти установки оснащены электроприводами, обычно, – средней или большой мощности. Итак, элек11


тротехнические комплексы технологических участков и установок шахты являются важнейшими объектами, обеспечивающими выполнение всех производственных процессов. Структура электротехнического комплекса очистного участка шахты строится в соответствии с положениями нормативных документов [1] и содержит источник электропитания – комплектную трансформаторную подстанцию (КТП), распредпункт участка (РП) и асинхронные электродвигатели (М) потребителей (рис. 1.2). В свою очередь, участковый распредпункт может быть представлен совокупностью магнитных пускателей (П), от которых по радиальной схеме к асинхронным двигателям соответствующих потребителей ведёт разветвлённая сеть гибких кабелей (ГК) [2-4]. КТП МК

М

М

М

П n.3

М

М

К7

АВ n

РП n

ГК n.3

П n.2

ГК n.1

П n.1

ГК n.2

АВ n

РП 1

М

СУ

М

М

М

М

М

М

К3

М

М

М

П n.1

РП n

ГК n.8

ГК n.7

б)

К1 К2

РП 1

ГК n.3

П 1.2

ГК n.2

П 1.1

ГК n.1

АВ 1

ГК 1.1

6 кВ

М 660/1140 В

МК n МК 1

П 1.3 ГК 1.3

а) КТП

П 1.2 ГК 1.2

П 1.1 ГК 1.1

660/ 1140 В АВ 1

ГК 1.2

6 кВ

М

М

Рисунок 1.2 - Типовая схема электроснабжения очистного участка шахты на основе применения пускателей (а); станций управления (б)

Групповой автоматический выключатель (АВ) применяется на вводе участкового распредпункта с целью подачи (снятия) напряжений на РП вручную и отключения его в автоматическом режиме при условии исчезновения напряжения в сети, возникновении короткого замыкания в присоединении или наличии команды внешней технологической защиты (например, газовая защита). Подача напряжения от участковой подстанции на ввод группового автоматического выключателя распределительного пункта осуществляется по магистральному кабелю (МК), в качестве которого принимают бронированные или полугибкие экранированные кабели. Наряду с применением магнитных пускателей, вся совокупность силовых коммутационных аппаратов РП участка может быть разме12


щена в комплектном распределительном устройстве – станции управления (рис. 1.3). QS „ПУСК” „СТОП”

БП QF

FV

FA

БКИ

YAT

ДТ1ДТ3 K1

ДТ1ДТ3

БТЗ K12

БДУ

ДТ1ДТ3

БТЗ

K6 K2

ДТ1ДТ3 БТЗ

БТЗ K17

K7

Рисунок 1.3 - Обобщённая структурная схема станции управления СУВ350А (СУВ-630): БП – блок питания; БДУ – блок дистанционного управления; БКИ – блок контроля изоляции; БТЗ – блок токовой защиты; ДТ1ДТ3 – датчики тока; QS – разъединитель; QF – автоматический выключатель; FA1 – максимальный расцепитель; FV – нулевой расцепитель; YAT – независимый расцепитель; К1-К7 – контакторы присоединений

Рисунок 1.4 - Блочно-структурная схема комплектного устройства управления КУУВ-500/500-2 (обеспечения электропританий потребителей участка напряжениями двух номинальных уровней – 660 В и 1140 В)

Современные тенденции применения энергомеханического оборудования повышенной мощности обусловливают необходимость электропитания таких потребителей напряжением повышенного но13


минального уровня (1140 В). Как правило, особенностью устройства схем электроснабжений шахтных участков является то, что такие напряжения применяют только для питания мощных токоприёмников (комбайн, конвейер), а другие маломощные потребители подключают к источнику с линейным напряжением 660 В (рис. 1.4) [5]. РУВН

РУНН TV 1

SA QF

FA

ДТ

690 В

6000 В

QS

ДТР YAT

FV

АГЗ ПМЗ

АЗ

TV2

Рисунок 1.5 - Функциональная схема комплектной трансформаторной подстанции: РУВН, РУНН – распредустройства высокого и низкого напряжения; QS – разъединитель; TV1 – силовой трансформатор; TV2 – трансформатор собственнях нужд; ДТ – датчики тока; ДТР – датчик температуры

Таким образом, источником электропитания потребителей технологического участка является комплектная трансформаторная подстанция (КТП, рис. 1.5), выполняющая функцию преобразования напряжения высокого уровня (6 кВ) в напряжение, согласованное по уровню с величиной номинального напряжения потребителей участка (660 В или 1140 В). Режим нейтрали участковой электросети шахты является изолированным. Функция защитного отключения напряжения от силового присоединения выхода трансформаторной подстанции реализуется автоматическим выключателем SA, входящим в состав распределительного устройства низкого напряжения (РУНН) и срабатывающего по командам: максимальной токовой защиты; аппарата защитного обесточивания цепи утечки тока на землю (АЗ) [6-8], других внешних защит. Основным назначением АЗ является выявление состояния утечки тока на землю в участковой электросети (вследствие повреждения изоляции или касания человеком фазного проводника, находящегося под напряжением) и формирование ко14


манды на защитное обесточивание сети при одновременном выполнении функции ограничения тока в цепи утечки на землю. 1.1.3 Автоматический выключатель как исполнительное устройство защитного обесточивания участковой электросети Автоматический выключатель на вводе распределительного пункта технологического участка является однотипным с соответствующим аппаратом РУНН участковой КТП, однако, в отличие от последнего, не имеет функциональной связи с АЗ.

Рисунок 1.6 - Схема автоматического выключателя серии АВ распределительного пункта технологического участка шахты [9]

Схема и конструкция автоматического выключателя (рис. 1.6; рис. 1.7) предполагает применение электромеханических средств управления защитным разъединением его силовой трёхфазной контактной группы: - электромагнитные максимальные расцепители FA1; FA2; FA3 подключены последовательно в силовые фазные присоединения, срабатывают при превышении током фазы определённого порогового уровня; 15


- электромагнитный независимый расцепитель YAT срабатывает при подаче тока на катушку его электромагнита (включается замыканием контактов исполнительных реле внешних технологических защит); - электромагнитный нулевой расцепитель FV срабатывает при прекращении электропитания его электромагнита в случае исчезновения напряжения в электросети участка. В некоторых модификациях автоматического выключателя предусмотрено применение в качестве расцепителя максимального тока – полупроводникового расцепителя, в состав которого входят измерительные элементы (трансформаторы тока в каждом полюсе выключателя), блок управления и независимый расцепитель [9]. Воздействующая функция каждого расцепителя распространяется на механизм свободного расцепления, который позволяет: - обеспечить моментальное включение и отключение аппарата со скоростью, не зависящей от оператора, рода и массы привода; - исключить возможность удержания контактов аппарата во включенном состоянии при срабатывании защит. Механизм свободного расцепления (рис. 1.8) представляет собой систему взаимозависимых «ломающихся» рычагов [10]. Во включенном состоянии при нормальном режиме работы (рис. 1.8, б) элементы 3 и 4 создают один жёсткий рычаг, поскольку центр шарнира 0 лежит несколько ниже «мёртвого» положения. Контакты 1, 2 в этом состоянии замкнуты. При срабатывании защиты толкатель 5 ломает рычаг (рис. 1.8, в). Под действием пружины 7 контакты размыкаются. Для подготовки к новому включению механизм свободного расцепления необходимо взвести. Для этого рычаги 3 и 4 необходимо установить (поворотом рукоятки 6) в положение, при котором они снова создадут жёсткую конструкцию (рис. 1.8, а). Наличие электромагнитных измерительно-исполнительных средств позволяет получить эффект ускоренного срабатывания при увеличении тока в защищаемой сети, высокая скорость обесточивания аварийного присоединения обусловливает увеличение коммутационной способности автоматического выключателя до уровня, превышающего 20 кА (рис. 1.9) [10].

16


17

Рисунок 1.7 – Устройство автоматического выключателя А-37ХХ

1- нулевой расцепитель; 2 – крышка выключателя; 3 – ввод верхний; 4- искрогаситель; 5 – камера дугогашения; 6- стальные пластины; 7 – контактодержатель контакта подвижного 8; 9 – траверса изоляционная; 10 – рукоятка; 11 – рейка отключающая; 12 – элемент измерительный; 13 - блок управления расцепителя полупроводникового (в случае применения); 14 – ввод нижний; 15 – корпус; 16 – расцепитель максимальный; 17 – соединение гибкое; 18 – расцепитель независимый; 19 – колодка зажимная; 20 – контакты вспомогательной цепи; 21 – контакт малоподвижный; 22 – контактодержатель контакта малоподвижного


а

б

в

Рисунок 1.8 – Механизм свободного расцепления с ломающимися рычагами: а – отключено вручную (взведено, подготовлено к включению); б - включено; в – отключено автоматически

Несмотря на высокое быстродействие отключения и достаточную коммутационную способность автоматического выключателя, следует учитывать, что особенностью его функционирования на распределительном пункте участка является поддержание нулевого расцепителя FV во включенном состоянии до тех пор, пока будет иметь место наличие напряжения достаточной величины на зажимах первичной обмотки трансформатора TL питания схемы аппарата АВ (рис.1.6). Поэтому защитное отключение автоматического выключателя РУНН участковой КТП не приведёт к одновременному отключению группового автоматического выключателя РП участка изза наличия обратных ЭДС асинхронных двигателей потребителей, которые некоторое время после обесточивания цепи выхода КТП будут находиться в режиме свободного выбега. Этот эффект должен быть учтён при анализе состояния системы электроснабжения участка в процессе её защитного отключения. 1.1.4 Магнитный пускатель как средство дистанционной коммутации силового присоединения системы электроснабжения шахтного участка Магнитные пускатели (рис. 1.10) являются основным оборудованием, предназначенным для дистанционного включения и отключения асинхронных двигателей машин и установок участка. Их основными узлами являются контакторы 14, которые непосредственно выполняют коммутацию силовых цепей электрических присоединений по командам от кнопочного поста дистанционного управления или узлов автоматического управления оборудованием. 18


Время, с

Отношение тока нагрузки к номинальному току І / Ін

Ток нагрузки, кА Рисунок 1.9 – Время-токовая характеристика выключателей переменного тока А3793Б и А3793С, А3794Б и А3794С

19


Устройство контактора (рис. 1.11) базируется на применении мощного электромагнита, к якорю 8 которого присоединена траверса 4 с подвижными силовыми 2 и вспомогательными 9 контактами. Поэтому, срабатывание электромагнита (при наличии тока достаточной величины в его обмотке (обмотках) 7 приводит к перемещению якоря 8, а вместе с ним - групп перемещаемых силовых 2 и вспомогательных 9 контактов. При этом, силовые подвижные контакты 2 , присоединяясь к силовым неподвижным контактам (1) выполняют коммутацию силового присоединения пускателя, подключая на это присоединение трёхфазное напряжение сети. Коммутация силовых контактов осуществляется в пространстве дугогасительных камер 6. Особенностью конструкции контакторов шахтных магнитных пускателей с воздушными средствами дугогашения является применение прямоходных устройств перемещения их подвижных контактов (в отличие от контакторов общепромышленного назначения, где используют более простые поворотные устройства перемещения силовых подвижных контактов). Это поясняется следующим. Особенностью коммутации силовой активно-индуктивной нагрузки является возникновение электрической дуги между подвижным и неподвижным контактами в процессе их расхождения. Дугообразование сопровождается мощным ультрафиолетовым излучением, что приводит к возникновению в воздушной смеси активных соединений. Основным компонентом, определяющим агрессивность микроклимата в аппарате, является выделяемый при горении электрической дуги атомарный азот, что в соединении с кислородом воздуха создаёт окислы азота: 0,5·N2+0,5·O2→NO, ΔQ≈1 еВ [11-13]. Взрывозащищенная оболочка аппарата препятствует свободному обмену внутренней микроатмосферы с атмосферой внешней среды, содействует соединению окислов азота с парами воды, имеющимся во влажном воздухе, и образованию азотной и азотистой кислот. Эти активные окислители создают окисление контактных и подвижных соединений, повреждение изоляции. Именно электрохимические процессы при дугообразовании в своё время стали причиной чрезмерно быстрой порчи изоляции внутренних проводников пускателей серии ПМВИ (ПМВИР) с общепромышленными поворотными контакторами (в которых в месте расхождения контактов в каждой фазе создавалась одна мощная электрическая дуга). 20


Сетевая камера вводов кабеля

2

3 Моторная камера Вводов кабеля

4

Контакторный отсек

9

1

5 10 8 13

6 14 11

5

12

7 Отсек разъединителя Рисунок 1.10 - Конструкция типового магнитного пускателя (на примере ПВИ-250) 1 – быстрооткрываемая крышка; 2 – крышка сетевой камеры; 3 – крышка моторной камеры выводов; 4 – проходные зажимы; 5 – напрявляющие устройства перемещения блока контакторного 6; 7 – выдвижная рама контакторного блока; 8 – регулировочный винт прижатия стыковых контактов 9 силовых цепей; 10 – штепсельний разъём контрольных цепей; 11 – крышка отсека разъединителя; 12 – разъединитель; 13 – трансформатор токовой защиты; 14 – контактор

С целью уменьшения мощности ультрафиолетового излучения и повышения эффективности дугогашения в ограниченном пространстве рудничной взрывозащищённой оболочки шахтного пускателя 21


применяют специально разработанные прямоходные контакторы типа КТУ (рис. 1.11), а также более компактные прямоходные контакторы типа КРМ. В этих контакторах предусмотрено четыре (КТУ) или две (КРМ) контактные площадки при коммутации каждой фазы активноиндуктивной нагрузки, что приводит к появлению нескольких электрических дуг меньшей мощности и позволяет в большей степени приблизить дугогасительные камеры к местам дугообразования. В результате имеет место дугогашение в ограниченных объёмах дугогасительных камер с ограниченным выбросом в воздух продуктов горения дуги, что существенно снижает концентрацию оксидов азота в оболочках рудничного взрывозащищённого исполнения и существенно увеличивает срок службы шахтных силовых низковольтных коммутационных аппаратов.

Рисунок 1.11 - Компоновка контактора серии КТУ: 1 – неподвижные контакты; 2 – подвижные контакты; 3 – ярмо электромагнита; 4 – траверса; 5 – корпус; 6 – дугогасительная камера; 7 – обмотка электромагнита; 8 – якорь электромагнита

22


Контакторы с вакуумными дугогасительными камерами 9 (рис.1.12) отличаются высокой электрической износостойкостью. Выводы подвижного 10 и неподвижного 8 контактов контактора расположены по торцам камер 9. Подвижный контакт вмонтирован в металлический сильфон 11, что обеспечивает необходимую величину его перемещения. Соединение контактов происходит под действием атмосферного давления. Поэтому, в отличие от обычных, в контакторах с вакуумными дугогасительными камерами, усилие создаётся с целью размыкания, а не замыкания силовых контактов. С этой целью между креплением электромагнита 4 и якорем 5 установлена пружина 2, обеспечивающая разомкнутое состояние контактов в отключенном положении. При включении контактора якорь электромагнита сжимает пружину, освобождая ход подвижных контактов контактора.

11

а

10

б

Рисунок 1.12 – Устройство контактора вакуумного: а – отключенное состояние; б – включенное состояние 1 – блок вспомогательных переключающих контактов; 2 – пружина; 3 – крепление, 5 - якорь электромагнита 4; 6 – корпус; 7 – рычаг; 8 – токовый вывод перемещаемого контакта; 9 – вакуумная камера с перемещаемым и неподвижным (вывод 10) силовыми контактами; 11 – сильфон 23


Вследствие высокой электрической прочности вакуумного зазора между контактами в сравнении с воздушным промежутком существенно повышается эффективность дугогашения и ресурс контактора. Важным его преимуществом является отсутствие выброса электрической дуги в атмосферу, что исключает появление оксидов азота и термическое влияние дуги, которая является одним из основных повреждающих факторов в отношении элементов пускателя, снижается вероятность взрыва внутри оболочки. К функциям магнитного пускателя следует также отнести максимальную токовую защиту отходящего присоединения (с возможностью регулирования уставки срабатывания защиты); контроль величины сопротивления изоляции отходящего присоединения и блокировку включения контактора в случае снижения этого сопротивления ниже предельно допустимой величины; нулевая защита и защита от потери управляемости; защитное отключение нагрузки (асинхронного двигателя) при продолжительной токовой перегрузке [14-16]. Условием отключения пускателя является обесточивание катушки его контактора, что может иметь место при размыкании цепи электропитания катушки (при нажатии на кнопку «СТОП» поста дистанционного управления; при срабатывании максимальной токовой защиты пускателя или защиты от токовой перегрузки силового присоединения; при снижении напряжения сети до уровня, близкого к 0,4 от номинального напряжения; при обесточивании катушки контактора). Анализ типовой схемы магнитного пускателя (рис. 1.13) даёт возможность сделать вывод, что в случае защитного отключения любого из автоматических выключателей участка пускатель некоторое время будет находиться во включенном состоянии в связи с тем, что электрические цепи его элементов будут продолжать получать электропитание при наличии ЭДС вращения асинхронных двигателей, пребывающих в состоянии выбега. Таким образом, фактическое отсоединение силовых присоединений от асинхронных двигателей в электротехническом комплексе участка шахты происходит не в момент отключения напряжения питания (со стороны КТП), а с некоторым запаздыванием, что определяется постоянной времени снижения ЭДС вращения асинхронных двигателей, и параметрами срабатывания на отключение промежуточных реле блоков управления и самих контакторов магнитных пускателей. Этот процесс является стохастическим. 24


25

Рисунок 1.13 - Схема магнитного пускателя серии ПВИ-320


1.1.5 Заземление корпусов электрооборудования как средство обеспечения безопасности его эксплуатации Действенным средством предотвращения электропоражения при эксплуатации электроустановок является заземление их корпусов. В случае появления повышенной проводимости между фазой сети и металлическим корпусом электроустановки (в связи с возможным повреждением изоляции) этот корпус будет находиться под фазным напряжением, что представляет опасность электропоражения. Защитное действие заземления при касании человеком металлического корпуса электротехнического устройства в этом случае состоит в создании пути малого сопротивления на землю в обход тела человека. Заземляющая сеть в подземных выработках шахты (рис. 1.14) представлена главными 1 и местными 2; 3 заземлителями, к которым через заземляющие шины 11 присоединены металлические корпуса всех электрических установок [17]. Присоединению к заземляющей сети подлежат: броня бронированных кабелей и заземляющие жилы гибких экранированных кабелей. В качестве главных заземлителей используют стальные полосы площадью не менее 0,75 м2, длиной не менее 2,5 м и толщиной не менее 5 мм. Таких заземлителей должно быть не менее двух, расположенных в разных местах (в водосборнике и зумпфе). Главный заземлитель присоединяют к сборной заземляющей шине ЦПП или электромашинных камер околоствольного двора. Местные заземлители устанавливают около каждой стационарной установки электрооборудования: в РП, КТП, около каждого индивидуально установленного аппарата или машины, около каждой кабельной муфты и т.д. Для обустройства местного заземления используют стальные полосы 2 (в выработках с влажным грунтом), стальные трубы 3.В качестве местного заземления может быть использована арочная металлическая крепь при соединении между собой металлическим проводником не менее трёх арочных рам крепи.

26


ЦПП 6

5 10

Водосборник 12

6

5 Комплектная трансформаторная подстанция участка

1

Зумпф

11 9

5 Кабельная муфта

2

> 5 м

ДЗ

Установки распределительного пункта

8 8 5 6

АВ

7

7

7

ПВИ

ПВИ

10

3 11 2 Рисунок 1.14 – Схема шахтной сети защитного заземления

Местные заземлители 27


Размеры электрических проводников, составляющих сеть шахтного заземления (рис. 1.14) определены Правилами безопасности [18]: - магистраль заземления (4) выполняется из стали сечением не менее 100 мм2, или меди сечением не менее 50 мм2; - заземляющая шина (11) выполняется из стали сечением 50мм2; - магистральная заземляющая шина (12) в камере центральной подземной подстанции (ЦПП) выполняется из стали сечением не менее 30х3 мм и оборудуется заземляющими болтами (5) для крепления металлических проводников (не более одного проводника на один болт); - металлические проводники (9) для присоединения к местному заземлителю, а также перемычки (8) выполняются из стали сечением 50 мм2 или меди сечением 25 мм2; - металлические проводники (10) между корпусом электроустановки и средством заземления выполняются из стальной полосы или троса сечением 50 мм2; - места соединения сваркой заземляющих шин с плоскостями заземлителей обозначены позицией 6. Дополнительный заземлитель (ДЗ) предусмотрен для подключения соответствующего вывода дополнительного заземления устройства защиты от утечек тока на землю, расположенного в РУНН комплектной трансформаторной подстанции. Условием выполнения рабочих функций перемещаемым технологическим оборудованием является применение для его электропитания гибких кабелей (рис. 1.15) между силовыми вводами пускателей и асинхронных двигателей потребителей. Заземление корпусов перемещаемого электромеханического оборудования осуществляется посредством заземляющих жил 5 (рис. 1.15) гибких экранированных кабелей. Эти жилы присоединяют в отсеках кабельных вводов силовых коммутационных аппаратов (с одной стороны гибкого кабеля) и асинхронных двигателей потребителей (с другой стороны этого же кабеля) к соответствующим заземляющим болтам. Обязательным условием является то, что гибкие кабели, предназначенные для применения в шахте, должны быть экранированными. Наличие резинового проводящего экрана 3 (рис. 1.15) поверх резиновой изоляции 2 силовой жилы 1 создаёт контакт 28


этой силовой жилы с заземлением 5 при любом повреждении кабеля (однофазная утечка тока на землю, междуфазное короткое замыкание), что должно привести к срабатыванию устройства защиты от утечек тока на землю (находящемуся в составе РУНН КТП) и отключению в связи с этим напряжения питания участкового электротехнического комплекса.

Рисунок 1.15 – Устройство гибкого экранированного шахтного кабеля марки КГЭШ : 1- силовая жила; 2 – резиновая изоляция; 3- резиновый электропроводящий экран; 4 – сигнальная жила; 5 – заземляющая жила; 6 – оболочка кабеля

Таким образом, технические средства участковых электротехнических комплексов шахты представляют собой совокупность устройств преобразования, силовой коммутации, распределения и потребления электроэнергии и отличаются наличием источников энергетических потоков как со стороны питающей трансформаторной подстанции, так и со стороны асинхронных двигателей потребителей. Вероятными аварийными и опасными состояниями шахтной участковой электросети следует считать: - междуфазные короткие замыкания; - междуфазные дугообразования; - появление цепи повышенной проводимости между фазой и землёй вследствие касания фазного проводника человеком (цепь утечки тока на землю); - токовые перегрузки электрооборудования, сопровождаемые перегревом; - неполнофазное электропитание асинхронных двигателей. Возникновение указанных состояний должно вызывать автоматической защитное быстродействующее обесточивание сети.

29


1.2 Особенности процесса короткого замыкания в трёхфазной электросети с изолированной нейтралью трансформатора Междуфазное к.з. является самым опасным состоянием шахтного участкового электротехнического комплекса, поскольку сопровождается чрезвычайно высоким током, что ведёт к воспламенению элементов электрооборудования и объектов внешней среды. Это обусловлено низкими токоограничивающими свойствами со стороны активных и индуктивных сопротивлений вторичной обмотки трансформатора КТП и кабеля (до места возникновения короткого замыкания). Таким образом, действующие значения трёхфазного ( I кз (3) ) и двухфазного ( I кз ( 2) ) тока к.з., обусловленные энергетическим потоком от КТП, определяются по формулам [19]: I кз

( 3)

I кз

( 2)

=

=

Uл 3 ⋅ ( Rтр + Rк ) 2 + ( X тр + X к ) 2

Uл 2 ⋅ ( Rтр + Rк ) 2 + ( X тр + X к ) 2

(1.1)

(1.2)

где U л – линейное напряжение сети; Rтр ; X тр – соответственно, активное и индуктивное сопротивления трансформатора питания (подстанции); R к ; X к – соответственно, активное и индуктивное сопротивления кабеля от трансформатора до точки короткого замыкания. С повышением мощностей трансформаторных подстанций и сечений кабелей параметры Rтр ; X тр ; R к ; X к – уменьшаются, что обусловливает тенденцию ещё бóльшего увеличения тока к.з. в случае повышения мощностей электротехнических установок участка шахты. Расчёт токов к.з. выполняют для следующих точек схемы электроснабжения потребителей (технологических установок): - токи трёхфазного к.з. на выходе силовых коммутационных аппаратов являются максимальными из возможных токов к.з., проходящих через силовые контакты этих аппаратов. Их рассчитывают с целью проверки коммутационной способности, автоматических выключателей (предназначенных для отключения к.з.), а также проверки отходящих кабелей присоединений по критерию термической ус30


тойчивости к токам к.з. на интервале времени отключения сети; - токи двухфазного к.з. в наиболее отдалённых точках сети – на вводах в электродвигатели потребителей – являются минимальными из возможных токов к.з. аварийного участка, их рассчитывают для проверки коэффициента чувствительности максимальной токовой защиты соответствующего пускателя. При расчёте токов трёхфазного к.з. коэффициентом 1,05 учитывают возможное повышение напряжения на выходе трансформаторной подстанции на 5% вследствие соответствующего переключения отпаек трансформатора участковой подстанции на 5% (вследствие аналогичных переключений учитывают снижение напряжения коэффициентом 0,95 при расчёте тока двухфазного короткого замыкания). Расчётные действующие значения тока к.з. определяются по формулам: – при трёхфазном к.з.

I к( 3. з). =

1,05Uн 3Z

(1.3)

0,95Uн 2Z

(1.4)

– при двухфазном к.з.

I к( .2з). =

где Uн – номинальное напряжение сети; Z – полное сопротивление короткозамкнутой цепи, включая сопротивление вторичной обмотки питающего трансформатора и сопротивление кабельной линии до точки к.з. Критерий термостойкости кабеля (сечением s) к току короткого замыкания ⎛⎜ I max = c ⋅ s ⎞⎟ определяется коэффициентом теплорассеи⎝

t⎠

вания (с) и продолжительностью (t) защитного обесточивания аварийного силового присоединения [20]. Учитывая это, увеличение мощности электроустановок с учётом факторов опасности, имеющих место при их эксплуатации в условиях шахты, в целом, обусловливает приоритетность разработки технических решений повышения быстродействия выявления состояния короткого замыкания в участковой сети шахты и прекращения действия энергетических потоков в аварийном электрическом присоединении. 31


Состояние междуфазного к.з. в шахтной участковой электросети (сеть с изолированной нейтралью) определяется: количеством фаз сети, задействованных в создании режима короткого замыкания; параметрами источника питания и кабельной сети аварийного присоединения; наличием или отсутствием нагрузки электрического присоединения (как правило – это асинхронные двигатели), его параметрами и состоянием (вращающийся или неподвижный ротор). Это состояние иллюстрируется соответствующими схемами замещения и векторными диаграммами (рис. 1.16) и сопровождается в начале - переходным процессом изменения потребляемого тока силовым присоединением с цепью короткого замыкания, поступающего со стороны трансформаторной подстанции [21]. Этот переходный процесс при коротком замыкании в электрической сети с активно-индуктивными составляющими характеризуется наличием апериодического iа и периодического iп токов к.з. iк , обусловленных действием энергетического потока со стороны питающей КТП (рис. 1.17) [21; 22]:

iк = iп + iа = 2 I п ⋅ sin (ωt − ϕ + α к ) + iа 0 ⋅ e

- t

Ta

;

(1.5)

Та – постоянная времени цепи к.з.: Ta =

Xk . ω ⋅ rk

(1.6)

В формулах (1.5; 1.6) Iп – действующее значение периодической составляющей тока к. з.; iа0 – апериодическая составляющая тока к. з. в начальный момент возникновения; ω = 2πf – круговая частота; φ – угол фазового смещения тока в цепи к. з.; αк – фаза возникновения к.з.; f – частота сети; Хк, rк – соответственно, индуктивное и активное сопротивление цепи к. з. Периодическая составляющая тока к.з. определяется величиной напряжения сети и её токоограничивающими свойствами и может рассматриваться как установившийся ток короткого замыкания после окончания переходного процесса. Кроме этого, совокупное влияние периодической и апериодической составляющих тока к.з. обусловливает появление в каждой фазе аварийного присоединения ударного тока к.з. (амплитуда тока в первый период его существования): 32


а

б

в

г

д

Рисунок 1.16 – Схемы замещения и векторные диаграммы токов при разных видах междуфазных к.з. в участковых сетях: трёхфазное к.з. (а); двухфазное металлическое к.з. в сети с отключенной нагрузкой (б); двухфазное к.з. через переходное сопротивление в сети с отключенной нагрузкой (в); двухфазное металлическое к.з. в сети с присоединённой нагрузкой (г); двухфазное к.з. через переходное сопротивление в сети с присоединённой нагрузкой (д); E& A , E& B , E& C - ЭДС фаз трансформатора; I&A , I&B , I&C - токи фаз при к.з. в сети; Z тр = Rтр + jX тр полное сопротивление фазы трансформатора; Z к = Rк + jX к - полное сопротивление фазы кабельной сети; Z пер = Rпер + jX пер - переходное сопротивление в месте к. з.; Z н = Rн + jX н - полное сопротивление нагрузки 33


i уд = I mn + I ma ⋅ e или

0.01 Ta

,

(1.7)

i уд = I mn ⋅ к уд

(1.8)

где Imа – максимальное (начальное) значение апериодической состав−

0 , 01 Та

) – ударный коэффициляющей (экспоненты) тока к. з. к уд = (1 + е ент, зависящий от постоянной времени цепи к. з. Его можно определить по графику (рис. 1.18). Ориентировочные значения ударного коэффициента для шахтных электросетей при к.з. в разных точках могут могут иметь следующие величины: шины ГПП – 1.8; шины ЦПП – 1.6; вводы низкого напряжения участковой трансформаторной подстанции – 1.3÷1.4; вводы участкового распредпункта – 1.05÷1.1; вводы электродвигателя – 1.0.

i iуд

iкА iп

iп iкB

iп Im

ia Im

t

ia ia

t1

iкC

Рисунок 1.17 - Переходный процесс при трёхфазном коротком замыкании: индексами А; В; С отмечены составляющие токов к. з. соответствующих фаз сети, Imн; Imк - соответственно, амплитуды номинального тока сети (до возникновения короткого замыкания) и установившегося тока к.з. 34


Свойством асинхронного двигателя является его способность генерировать обратную ЭДС на начальном этапе выбега. Её частота обусловлена частотой вращения ротора, а амплитуда экспоненциально уменьшается от начального уровня (0,85 ÷ 0,9 от амплитуды напряжения сети) с постоянной времени асинхронного двигателя, что определяется отношением индуктивности ротора к его активному сопротивлению [23]. Учитывая это, электротехнический комплекс шахтного участка может быть представлен как система с двумя источниками электропитания (энергетических потоков) близких по величине мощностей – участковой трансформаторной подстанции и совокупности асинхронных двигателей потребителей. Исходя из этого, распространённое представление о характере протекания короткого замыкания в силовом присоединении участка (с учётом периодической и свободной составляющих тока со стороны трансформаторной подстанции) должно быть дополнено учётом составляющих процесса, начинающегося после защитного отключения сети и определяемого действием обратных энергетических потоков асинхронных двигателей. куд

Та Рисунок 1.18 – Изменение ударного коэффициента Куд в зависимости от постоянной времени Та ( отношения х/r) участка к.з.

Возможные варианты возникновения аварийного состояния короткого замыкания в силовом присоединении сети ЭТК участка шахты приведены на рис. 1.19 [24]. Короткое замыкание в гибком кабеле потребителя (рис. 1.19, а) будет сопровождаться процессом одиночного выбега двигателя, в цепи питания которого произошло к.з. Защитное отключение производится автоматическим выключателем (АВ) и средствами максимальной токовой защиты магнитного пуска35


теля (КА) аварийного присоединения. К аварийной точке будет поступать ток iов, обусловленный действием ЭДС вращения двигателя, в гибком кабеле которого произошло к.з. М1

М1

i1 КА1 ТП

i1

i2 КА2

iгв

М2

i3

АВ

ТП

КА3

iов КАn

КА4

i2 КА1

КА2

М2

i3

АВ

М3

КА3

М4

КА4

М3

i4 КАn

in

М4

in Мn

Мn

а)

б)

Рисунок 1.19 - Схема вероятных энергетических потоков до точки короткого замыкания после защитного отключения напряжения питания аварийного участка при к.з. в гибком кабеле (а); в магистральном кабеле (б)

В случае возникновения короткого замыкания в магистральном кабеле (рис. 1.19, б) участковой сети, защитное отключение производится автоматическим выключателем на выходе трансформаторной подстанции (КТП), и имеет место процесс группового выбега асинхронных двигателей участка, что обусловливает наличие тока группового выбега iгв. Этот процесс поясняется включенным состоянием коммутационных аппаратов (КА) магнитных пускателей до момента достижения предельного уровня (Uдоп≥0,4Uн) ЭДС вращения двигателей (при уменьшении). На рис. 1.20 представлена структура схемы электротехнического комплекса участка шахты в момент возникновения короткого замыкания в силовом кабельном присоединении на выходе контактора (пускателя) КМn [25]. На рис. 1.20 введены следующие обозначения: e A , eB , eC – мгновенные значения фазного напряжения на выходе трансформаторной подстанции; КМ1 – КМn – контакторы магнитных пускателей потребителей; М1 – Мn – асинхронные двигатели потребителей участка; Rк1 , Lк1 – соответственно, активные сопротивления и индуктивности гибких кабелей; Rкn.1 , Lкn.1 – соответственно, активные сопротивления 36


и индуктивности первого условного участка гибкого кабеля; – то же для второго условного участка гибкого кабеля. eA

АВ

КМ1

Rк1

Lк1

eB

Rк1

Lк1

eC

Rк1

Lк1

Rкn.1

Lкn.1

Rкn.2

Lкn.2

Rкn.1

Lкn.1

Rкn.2

Lкn.2

Rкn.1

Lкn.1

Rкn.2

Lкn.2

А1

КМn

Rкn.2 , Lкn.2

M1

А2

Mn

А3

Рисунок 1.20 - Схема замещения ЭТК участка шахты в состоянии трёхфазного к.з. в силовом присоединении

С учётом высокой вероятности срабатывания максимальной токовой защиты пускателя аварийного присоединения целесообразно выести допущение об отключении контактора КМn одновременно с автоматическим выключателем АВ участковой подстанции (входа распределительного пункта участка). Таким образом, после защитного отключения участка фактором энергетического воздействия на точку к.з. будет оставаться только асинхронный двигатель (группа двигателей) потребителя аварийного присоединения. Относительно схемы (рис. 1.20) - это машина Мn. Характерными местами определения фазного тока в процессе междуфазного короткого замыкания в силовом присоединении шахтной участковой электросети являются следующие точки (рис.1.20): А1 – выход силового коммутационного аппарата; А2 – место короткого замыкания; А3 – зажим кабельного ввода асинхронного двигателя потребителя. Токи к.з. описываются следующими выражениями: - в точке А1: iк = iп + iа = = (U max / Z к ) sin( ω t + α − ϕ к ) + i a ( t = 0 ) exp( − t / T a )

37

(1.9)


где iк , iп , iа – ток к.з. от КТП до точки замыкания и его периодическая и апериодическая составляющие, соответственно; Zк – полное сопротивление цепи к.з.; φк – угол смещения тока относительно напряжения в этой цепи; Ta = x к /( ω rк ) – постоянная времени цепи к.з.; α – фаза включения к.з.; rк , xк – соответственно, активное и индуктивное сопротивление цепи к.з.; - в точке А3: diк′ ′ (Rк + Rs ) ⋅ iк + (Lк + Lsl ) ⋅ = ev (1.10) dt где еv – мгновенные значения ЭДС вращения АД (см. п.4.1); iк′ мгновенные значения тока, обусловленного ЭДС вращения АД; Rк , Lк - соответственно, активные сопротивления и индуктивности гибкого кабеля от АД до точки замыкания; R s , L sl – активное сопротивление и индуктивность статора АД; - в точке А2 – сумма токов, обусловленных действием напряжения питающего трансформатора и ЭДС вращения АД:

iкз = iк + iк′

(1.11)

Эти токи иллюстрируются диаграммами (рис. 1.21). Таким образом, процесс междуфазного короткого замыкания в промышленной участковой электросети предполагает наличие двух токов к точке к.з.: со стороны комплектной трансформаторной подстанции и со стороны статора асинхронного двигателя потребителя аварийного присоединения (рис.1.22) [26]. Ещё бóльшую опасность представляет состояние, когда защитное отключение сети осуществлено только групповым автоматическим выключателем (АВ), а отключения контактора пускателя аварийного присоединения (КМn) не произошло (например, в случае отказа максимальной токовой защиты пускателя). В этом случае в процессе создания тока в точке к.з. будут участвовать все АД совокупности потребителей участка, что обусловлено поддержанием контакторов всех пускателей участка во включенном состоянии до момента достаточного снижения обратных ЭДС вращения АД [24].

38


б)

а)

в)

Рисинок 1.21 – Диаграммы мгновенных значений тока: а) обусловленного напряжением сети 660 В (существует до момента защитного отключения питания); б) обусловленного ЭДС вращения АД (типа 2ЭКВ4УС2); в) полного тока в точке короткого замыкания – в кабеле питания асинхронного двигателя

Итак, процесс к.з. может быть представлен совокупностью сменяющих друг друга состояний: - возникновение к.з., протекание тока до точки замыкания от трансформатора; - продолжение подпитки точки к.з. от трансформатора и протекание тока до точки к.з. от статора АД аварийного присоединения (процесс продолжается до момента защитного отключения электропитания со стороны трансформатора); - появление уравнительных токов, обусловленных обратными ЭДС АД после защитного отключения питания;

39


- подпитка точки к.з. только от АД аварийного присоединения (процесс протекает после отключения контакторов пускателей смежных присоединений). ТРАНСФОРМАТОР

КАБЕЛЬ

КАБЕЛЬ

АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ev

i1 A

A

i2 A

ev B i1B

i2 B

ev C i1C

Ток энергетического потока от КТП

i 2C

Ток энергетического потока от АД

f=50 Гц

Рисунок 1.22 – Расчётная схема силового присоединения участкового ЭТК в состоянииі к.з. в кабеле питания асинхронного двигателя и диаграммы фазного тока к.з., обусловленного энергетическими потоками КТП и АД

1.3 Анализ опасности электропоражения при эксплуатации шахтных участковых электроустановок 1.3.1 Условия электропоражения человека при касании к токоведущим частям Электропоражение человека может произойти при касании к двум фазам сети, одной фазе сети либо металлических частей оболочки (корпуса) электрооборудования, которые случайно оказались 40


под напряжением вследствие повреждения изоляции. Касание человека к двум фазам сети представляет самую большую опасность. В этом случае ток, протекающий через человека Iчел, зависит только от величины линейного напряжения UЛ и сопротивления Rчел тела человека: U Л 3U Ф I чел = = . (1.12) R чел R чел С учётом величин линейных напряжений участковых электросетей шахты, касание человеком двух фаз является смертельно опасным. Однако абсолютное большинство случаев электропоражения происходит при касании одной токоведущей фазы человеком, стоящим на земле или касающимся металлических корпусов оборудования. Результат поражения при касании к одной фазе сети в значительной степени зависит от режима нейтрали сети. Правилами безопасности разрешается применение в подземных выработках шахт электрических сетей только с изолированной нейтралью трансформатора (сети, в источниках питания которых нулевая точка изолирована от земли или присоединена к заземляющему устройству через значительное сопротивление) [1; 18]. Электросети с заземленной нейтралью (нулевая точка источника питания присоединена к заземляющему устройству проводником с малым сопротивлением) находят применение на поверхности шахт в основном, в связи с тем, что в них источники электропитания можно использовать как для питания трёхфазных потребителей (например, линейным напряжением 380 В), так и для питания отдельных однофазных потребителей (фазным напряжением того же источника – 220 В. В сетях с заземленной нейтралью ток, протекающий через человека при касании к одной фазе сети (рис. 1.23), определяется величиной фазного напряжения Uф и ограничивается суммарным сопротивлением R, состоящим из сопротивления тела человека Rчел, переходного сопротивления в местах контакта с токоведущей частью Rп, сопротивления обуви Rоб, сопротивления растекания тока от подошв обуви к земле Rр и сопротивления заземления нейтрали RЗ:

І чел =

UФ . Rчел + Rп + Rоб + Rр + RЗ

41

(1.13)


Учитывая, что сопротивление тела человека в наиболее неблагоприятных условиях значительно превышает величины других сопротивлений, выражение (1.13) может быть упрощено: UФ . I чел = (1.14) R чел Из этой формулы видно, что ток, протекающий через человека, не зависит от сопроUф тивления изоляции и ёмкости сети. При применении индиІчел Rчел видуальных средств защиты (диэлектрические перчатки, боты, коврики и т.п.) переходное сопротивление Rп в цепи Рисунок 1.23 – Касание человека к одной фазе тока через человека увеличи- в сети с заземлённой нейтралью вается, что обусловливает уменьшение этого тока и обеспечивает противодействие электропоражению. В сети с изолированной нейтралью трансформатора ток через человека замыкается через сопротивление изоляции Zиз сети (рис.1.24), созданное активным сопротивлением Rиз, обусловленным качеством изоляционных материалов и ёмкостным сопротивлением ХС, обусловленным длинами и сечениями кабелей:

Z из = Rиз2 + Х С2 ;

(1.15)

1⋅106 ХC = ; 2π ⋅ f ⋅ C

(1.16)

где f – частота сети, Гц; С – ёмкость изоляции кабельной сети, мкФ. Нормальный режим работы сети характеризуется равенством активных (R1= R2= R3) и ёмкостных сопротивлений изоляции в фазах (Х1= Х2= Х3). При таких условиях: U1=U2=U3; I1=I2=I3; Un=0; 42

(1.17)


где U1, U2, U3 – напряжения фаз относительно земли; I1, I2, I3 – токи утечки фаз на землю; Un – напряжение нейтрали.

Rиз

ХС

Rчел

Ічел

диэлектрик

а

б

в

Rчел

ІС

Ічел Rиз

Іа

Ічел

ІС

Cиз

г

Іа

д

Рисунок 1.24 – Варианты касания человеком токоведущих элементов шахтной участковой сети: а − человек на диэлектрическом основании, утечки тока нет; б − касание двух фаз сети; в − однофазная утечка тока на землю через сопротивление Rчел тела человека; г – схема замещения; д – векторная диаграмма токов в цепи утечки на землю по состоянию «в»

При симметричном сопротивлении изоляции потенциал нейтрали соразмерен с потенциалом земли, и векторная диаграмма выглядит, как показано на рис.1.25, а. При касании к одной из фаз, например, к фазе А, симметрия сети нарушается, нулевая точка векторной диаграммы займёт новое положение 01 (рис. 1.25, б), а напряжения фаз будут составлять: (1.18) U ' = U1 −U N ; U ' = U 2 −U N ; U ' = U 3 −U N •

1

2

3

43


А

А

а

б

В

С

С

В

Рисунок 1.25 – Векторная диаграмма фазных напряжений при: а – симметричном сопротивлении изоляции; б – при касании человеком фазы

Ток, протекающий через человека (по закону Ома): •

Iчел

' U −U U N = 1= 1

(1.19)

Rчел

R

чел

Токи через сопротивления изоляции равны: •

I1 =

'

U1 U1 − U N = Zі Zі

I2 =

'

U2 U2 −UN = Zі Zі

I3 =

'

U3 U3 − U N = Zі Zі

(1.20)

В рассмотренной сети: •

1

2

∑I = I + I

+ I 3 + Iчел = 0

(1.21)

Решая совместно приведенные уравнения и с учётом того, что •

U1

находится в фазе с U N окончательно получаем:

I чел

3U Ф = 3Rчел + Z из

(1.22)

Полное сопротивление изоляции (рис. 1.24) присоединено последовательно с сопротивлением человека и выполняет токоограни44


чивающее действие. Из этого видна роль изоляции как фактора, влияющего на уровень электробезопасности эксплуатации электрооборудования: чем выше сопротивление изоляции, тем меньше ток через человека при его касании к токоведущим элементам сети с изолированной нейтралью и наоборот, уменьшение сопротивления изоляции будет приводить к увеличению тока через тело человека, что создаёт угрозу электропоражения. С учётом распределения активного и ёмкостного сопротивления изоляции ток утечки на землю Іут (ток, протекающий через человека І чел ) определяется по формуле:

І ут = І чел =

UФ R (R + 6R ) Rчел ⋅ 1 + из2 из 2 чел 9 Rчел (1 + Rизω 2С 2

(1.23)

В сетях напряжением 6 кВ, в которых ёмкостное сопротивление изоляции значительно меньше активного, ток через человека может быть определён по формуле:

I чел =

3U ФωC 2 Rчел ⋅ 1 + 9 Rчел ω 2С 2

(1.24)

Нормативами определено, что величина безопасного тока через тело человека при продолжительном протекании не может превышать Iчел.max = 25 мА; максимально безопасное количество электричества, проходящего через тело человека при касании токоведущего проводника составляет q = 50 мА*с, при этом, сопротивление тела человека составляет Rчел = 1 кОм [28]. 1.3.2 Влияние состояния изоляции сети на безопасность эксплуатации электрооборудования Электрическая изоляция является общим (хотя и недостаточным) средством предотвращения всех видов опасности от электрического тока. Её токоограничивающие свойства определяются величинами активной Rиз и ёмкостной XС составляющих сопротивления. Активное сопротивление изоляции обусловлено свойствами и 45


качеством изоляционных материалов. Обеспечение надёжности изоляции достигают: правильным выбором материала; формой изоляционных деталей и конструкций электрооборудования; учётом влияния условий эксплуатации (влажность, температура, запылённость и т.д.); соблюдением заданных режимов работы электрооборудования, качеством его технического обслуживания и профилактики. Поддержание высоких показателей активного сопротивления изоляции обеспечивается соответствующими формами изоляционных средств, размерами диэлектрических зазоров между токоведущими элементами, выполненных в соответствии с критериями ограничения токов утечки за счёт увеличения путей утечки в соответствии с ГОСТ 24719-81. Путь утечки (К) – кратчайшее расстояние по поверхности изоляционного материала 2 между токоведущими частями 1 разного электрического потенциала (рис. 1.26). При расчёте путей утечки могут быть учтены рёбра, канавки, выступы, ступени, если их размеры не менее 3 мм. Электрический зазор – это кратчайшее расстояние в окружающей среде между неизолированными токоведущими частями разного электрического потенциала или между ними и заземлённой частью электрооборудования.

Рисунок 1.26 – Пути (К) утечки тока между токоведущими элементами (1) по поверхности изоляционного материала (2)

Сопротивление изоляции рудничного электрооборудования напряжением 127...1140 В должно быть не ниже [18]: - электродвигатели угледобывающих и проходческих машин – 0,5МОм;

46


- электродвигатели других машин, а также электроаппараты, пусковые и осветительные агрегаты – 1 МОм; - бронированные и гибкие кабели любой длины – 1 МОм /фазу. Ёмкостное сопротивление сети обусловлено тем, что токоведущие части, разделённые изоляционными материалами создают конденсатор. Это сопротивление имеет линейную зависимость от длины кабелей, поскольку ёмкость изоляции других видов оборудования на несколько порядков ниже, чем ёмкость изоляции кабелей [29-31]. Ток, протекающий через человека (ток утечки на землю) в сети состоит из двух составляющих: активной Iа, (ток через активные сопротивления утечки и изоляции кабельной сети), ёмкостной Iс, (ток через ёмкостные составляющие изоляции кабельной сети).

I чел = I а2 + I 2c

(1.25)

Высокий уровень активного сопротивления можно поддерживать путём проведения профилактических мер, а ёмкость фаз кабеля относительно земли не зависит от каких-либо дефектов и определяется только протяжённостью сети, сечением и конструкцией кабеля конкретной марки (экранированные жилы, тип изоляции, расстояние от жил до экранов и др.). В процессе эксплуатации эта ёмкость может изменяться только за счёт подключения и отключения отдельных кабельных линий. С увеличением сечения применяемого кабеля, а также с увеличением его длины, ёмкость его изоляции повышается. Итак, повышение ёмкости изоляции сети обусловливает снижение её ёмкостного сопротивления, что способствует увеличению тока утечки Іут (через тело человека Іут.= Ічел) на землю и этим создаёт угрозу электропоражения человека при касании токоведущего проводника, находящегося под напряжением. Ток утечки на землю можно снизить компенсацией его ёмкостной составляющей индуктивностью компенсирующей катушки дросселя (рис. 1.27). Из схемы видно, что ёмкость изоляции сети и индуктивность дросселя создают параллельное соединение цепей. Их токи направлены встречно, а ток, протекающий через человека (утечка) будет определяться по формуле: 2

2 = = I + ( I − I ) ; а c L І ут І чел

47

(1.26)


где IL – индуктивный ток.

Ічел Rчел

Ічел

Rчел

Rиз

Рисунок 1.27 – Схема сети(а), схема замещения (б) и векторная диаграмма (в), поясняющие принцип компенсации ёмкостного тока утечки на землю

Возможны три варианта компенсации ёмкостного тока: - режим полной компенсации, (ёмкостное сопротивление равно индуктивному): 1 ωCC = (1.27) ωL В этом случае ток, протекающий через человека (утечка на землю) минимален. Он обусловлен активным сопротивлением изоляции сети. - режим недокомпенсации, когда ёмкостная проводимость больше индуктивной:

48


ωCC >

1 ωL

(1.28)

В этом случае через человека (утечка на землю) протекает ёмкостной ток. - режим перекомпенсации, ёмкостная проводимость меньше индуктивной: 1 ωCC < (1.29) ωL В этом случае через человека (утечка на землю) протекает индуктивный ток. В шахтных электросетях напряжением до 1200 В включительно предусмотрена автоматическая защита от утечек тока на землю, которая состоит в выявлении наличия тока утечки опасной величины; формировании команды на защитное отключение сети; компенсации ёмкостных составляющих сопротивления изоляции. Устройство защиты устанавливается в комплектной участковой трансформаторной подстанции и воздействует на её автоматический выключатель. Вопросы для самоконтроля 1. Охарактеризуйте структуру схемы электроснабжения шахты. 2. Чем обеспечивается бесперебойность электроснабжения шахты в случае возникновения аварийных состояний и отказов элементов электроснабжения? 3. Охарактеризуйте структуру электротехнического комплекса шахтного участка в контексте выполнения защитных функций при возникновении аварийных и опасных состояний. 4. Раскрыть назначение, функциональные свойства, принципы устройства и особенности применения автоматического выключателя. 5. Раскрыть назначение, функциональные свойства, принципы устройства и особенности применения магнитного пускателя.

49


6. Контактор магнитного пускателя как исполнительный элемент отключения силового присоединения сети. Каковы особенности устройства контакторов? 7. В чём состоят преимущества прямоходных контакторов в контексте обеспечения высокого ресурса пускателей? 8. Шахтная заземляющая сеть как структурная составляющая комплекса технических средств обеспечения электробезопасности эксплуатации рудничного оборудования. 9. Каково назначение резинового проводящего экрана в шахтных гибких кабелях? 10. Раскрыть функциональные свойства шахтного экранированного гибкого кабеля в контексте реализации функции выявления повреждения изоляции фазной силовой жилы (с последующим защитным отключением сети). 11. Как протекает переходный процесс при возникновении короткого замыкания в электрической сети промышленного (шахтного) участка? 12. В чём состоит опасность междуфазных коротких замыканий, дугообразований, а также токовых перегрузок потребителей электросети? 13. В чём состоит воздействие обратных энергетических потоков асинхронных двигателей на силовые присоединения питающей электросети в случае возникновения коротких замыканий? 14. Каковы условия электропоражения человека в электросети с заземлённой и изолированной нейтралью трансформатора? 15. Как влияет уровень активного сопротивления и ёмкость изоляции сети на величину тока, протекающего через тело человека при его касании к токоведущему элементу, находящемуся под напряжением? 16. Какие меры необходимо применять для поддержания высокого уровня активного сопротивления изоляции шахтной электросети? 17. Что представляет собой и каким образом осуществляется компенсация ёмкостного тока утечки на землю в шахтной участковой электросети? 50


РАЗДЕЛ 2 УСТРОЙСТВО, ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СРЕДСТВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК Учебной целью раздела является рассмотрение особенностей устройства и функциональных свойств средств автоматической защиты рудничных электроустановок от аварийных состояний и опасности электропоражения. Результатом освоения студентами материала раздела является знание особенностей устройства и функционирования технических средств автоматической защиты электрооборудования от аварийных и опасных состояний, включая технические средства автоматической защиты, адаптированные к использованию в условиях горных предприятий. 2.1 Функциональные свойства электромагнитных расцепителей максимального тока Преимущественное большинство известных технических решений, которые могут быть отнесены к максимальной токовой защите в шахтной участковой электросети, отрабатывают функцию выявления тока короткого замыкания со стороны источника питания (КТП) и быстродействующего отключения энергетического потока этого источника от электрического присоединения, в котором возникло междуфазное короткое замыкание. Соответствующие исполнительные устройства и устройства выявления тока к.з. можно разделить на устройства непосредственного и косвенного действия (рис. 2.1). Последние могут быть приведены в действие по командам соответствующих устройств автоматического выявления тока к.з. Основной принцип выявления тока короткого замыкания, отрабатываемый средствами максимальной токовой защиты шахтных участковых электросетей, сравнение фактического тока сети с заданной уставкой и формирование команды на отключение коммутационного аппарата в случае превышения этим током величины уставки. Отличительной особенностью устройства косвенного действия (УМЗ, ПМЗ и др.) является то, что измеряемый параметр формируется вторичными токами трансформаторов токовой защиты, функция сравнения отрабатывается электрической схемой, в которой предусмотрена возможность регулирования уставки срабатывания [4, 21]. 51


Потенциальное формирование сигнала на защитное отключение короткого замыкания

Косвенного действия Контакторы пускателей

Плавкие предохранители

Прямого действия

Реле максимального струму (максимальні розчеплювачі)

Прямого действия Контроль величины тока

Контроль скорости изменения величины тока

Контроль фазы сдвига тока относительно напряжения

Косвенного действия

Исполнительные устройства

Автоматические выключатели

Измерительные, конролирующие устройства

Функция защитного отключения присоединения с коротким замыканием от источника питания

Рисунок 2.1 – Классификация средств защиты электротехнического комплекса участка шахты от тока короткого замыкания

2.1.1 Функциональные свойства электромагнитных расцепителей максимального тока Электромагнитные расцепители максимального тока (максимальные расцепители) представляют собой реле прямого действия, а по способу включения их относят к первичным реле, поскольку их включают непосредственно в силовую цепь защищаемой сети. Они используются в автоматических выключателях (рис. 2.2). При токах в силовой шине - обмотке 2, превышающих ток уставки расцепителя (устанавливается в зависимости от натяжения пружины 4), якорь 3 притягивается к сердечнику 1 и своим бойком ударяет по скобе отключающего средства 6 механизма свободного расцепления автоматического выключателя. Для косвенного контроля работоспособности расцепителя на его магнитопроводе предусмотрена контрольная катушка 5, которая, имея значительное число витков при малом токе создаёт в магнитопроводе расцепителя такой же магнитный поток, как и силовая шина - обмотка 2 при протекании по ней тока к.з. Проверку работоспособности расцепителя осуществляют 52


нажатием соответствующей кнопки, вследствие чего катушка 5 подключается к источнику напряжения переменного тока. Максимальные расцепители, применяемые в автоматических выключателях серии А37ХХ не имеют устройств регулирования уставки срабатывания и проверочных катушек. Они настраиваются на определённый ток срабатывания.

а

б 6

4 6

7 3 3 4 8

1 5

2 1

Рисунок. 2.2 – Устройство электромагнитного максимального расцепителя автоматического выключателя АВМУ (а); А37ХХ (б; рабочая обмотка не показана): 1 – магнитопровод; 2 – рабочая обмотка (силовая шина фазы сети); 3 – якорь; 4 – пружина; 5 – проверочная обмотка; 6 – скоба механизма свободного расцепления АВ; 7 – упор; 8 – винт регулирования уставки защиты

К преимуществам максимальных расцепителей следует отнести простоту конструкции, надёжность, высокое быстродействие. Недостаток – значительные отклонения величины тока срабатывания, вызванные нестабильностью параметров стальных пружин. Высокая скорость срабатывания максимального токового расцепителя и механизма свободного расцепления автоматического выключателя создают предпосылки, чтобы отнести такой выключатель к категории токоограничивающих. Токоограничивающий выключатель – это выключатель, у которого собственное время отключения tоткл таково, что ток в защищаемой цепи не успевает достичь установившегося значения Ік.з., и отключаемый ток Іоткл. является меньшим, чем тот, который был бы в цепи в случае отсутствия выключателя (рис. 2.3). 53


Ік.з. І откл. Іуст Іном 0

t0

tоткл Начало к.з.

Рисунок 2.3 – Токовые параметры токоограничивающего автоматического выключателя

2.1.2 Устройство и свойства средств максимальной токовой защиты с регулированием уставки срабатывания Простейший принцип выявления токовой перегрузки силового электрического присоединения заключается в сравнении величины тока этого присоединения с заданной уставкой. Это создаёт возможность формирования команды на защитное отключение сети в случае превышения током уставки защиты. Расчёт такой уставки токовой защиты производят в зависимости от специфики контролируемого объекта. Если токовая защита применяется в составе пускателя и контролирует кабельное присоединение, отходящее к асинхронному двигателю, то расчётный ток уставки Iуст.р определяют по формуле:

Iуст. р = 1,2 Iпуск ,

(2.1)

Максимальная токовая защита автоматического выключателя должна позволять включить потребитель участка с максимальным пусковым током двигателя (Iпуск. mах) при условии, что все остальные двигатели потребителей включены:

Iуст. р = 1,2( Iпуск.m + ∑ Iн.ост.) , 54

(2.2)


где Iпуск. – пусковой ток двигателя, (совокупности двигателей), подключенного к пускателю; Iпуск.мах – пусковой ток двигателя потребителя максимальной мощности; Σ Iн.ост – сумма номинальных токов других (остальных) двигателей потребителей участка. В дальнейшем принимают уставку максимальной токовой защиты, ближайшую большую к расчётному значению. Поскольку к выходу силового коммутационного аппарата, рассчитанного на определённый номинальный ток, могут быть подключены электродвигатели как соответствующей, так и меньшей мощности, возникает необходимость применения средств максимальной токовой защиты с достаточно широким диапазоном регулирования уставок срабатывания. В современных рудничных низковольтных коммутационных аппаратах (автоматических выключателях, станциях управления, пускателях) применяют полупроводниковую максимальную защиту типа ПМЗ, а в аппаратах устаревшей конструкции - универсальную максимальную защиту УМЗ. Принципиальная схема защиты ПМЗ приведена на рис. 2.4. В качестве преобразователя входных сигналов в ПМЗ приняты трансформаторы тока ТА1-ТАЗ, вторичные обмотки которых соединены в «звезду». Параллельно обмоткам этих трансформаторов присоединены резисторы R. Эти же трансформаторы используются как источники питания исполнительного органа защиты – электромагнитного поляризованного реле К. Измерительная часть схемы содержит трёхфазный выпрямитель (диоды V7, V8, V9) и делитель напряжения на резисторах R4-R7. В качестве логического органа применено полупроводниковое реле, состоящее из стабилитрона V11, диода V12, резисторов R8, R9, конденсаторов С1, С2, тиристоров V13; V14. Контакты К1 поляризованного реле К включают в цепь катушки контактора в магнитных пускателях или в цепь нулевого расцепителя в автоматических выключателях, контакты К2 этого реле включают в цепь сигнальной лампы. Поляризованное реле К выполняет также роль блокирующего органа, т.к. после срабатывания его якорь остаётся в перемещённом состоянии. Возврат реле К (деблокирование) в исходное состояние осуществляют подачей напряжения на его дополнительную обмотку от трансформатора собственных нужд силового коммутационного аппарата при нажатии соответствующей кнопки, толкатель которой расположен на внешней стороне силового комму55


тационного аппарата. Параллельно реле К можно подключать резервный исполнительный орган. В автоматических выключателях для этого используют независимый расцепитель QF1 (рис. 2.5).

а

3

2 Рисунок 2.4 – Полупроводниковая максимальная токовая защита ПМЗ: а – принципиальная схема; б – внешний вид устройства ПМЗ; 1 – корпус; 2 – тумблер «Работа –Проверка»; 3 – регулятор уставок срабатывания ПМЗ

1 б

Ток срабатывания (уставку) защиты регулируют переменным резистором R5, подключенным в цепь делителя напряжения. Переменный резистор R7 используют в качестве подстроечного. При возникновении в защищаемой сети тока, превышающего уставку защиты, напряжение на резисторах R6 - R7 делителя превысит величину напряжения стабилизации стабилитрона V11. В результате, на управляющий электрод тиристора V13 подаётся ток. Тиристоры V13 и V14 отпираются и коммутируют катушку реле К, которое переключением своих контактов приводит к отключению соответствующего силового коммутационного аппарата.

56


Рисунок 2.5 – Устройство независимого электромагнитного расцепителя автоматического выключателя А37ХХ: 1 – электромагнит с обмоткой; 2 – якорь; 3 – скоба механизма свободного расцепления

Проверку работоспособности защиты выполняют путём пуска электродвигателя присоединения. Для этого переключатель SA устанавливаю в положение «Проверка», при котором общая точка выпрямителя (V2, V4, V6) с резисторами (R1 - R3) будет отсоединена от вторичных обмоток трансформаторов тока (ТА1 - ТА3). В этом случае на измерительную часть схемы напряжение подаётся не с параллельно соединённых резисторов R и R1; R и R2; R и R3, а с резисторов R, что повышает чувствительность защиты. В результате этого устройство будет срабатывать от пускового тока двигателя, подключенного к выходу силового коммутационного аппарата. Электрическая схема устройства защиты УМЗ, собранная в едином блоке, образована двумя идентичными каналами контроля токов двух разных фаз трёхфазной сети (рис. 2.6) [16]. Ток вторичной обмотки трансформатора тока создаёт на шунтирующей цепи с соРисунок 2.6 – Принципиальная схема максимальной токовой защиты УМЗ противлением Rш напряжение, которое подаётся на мостовой выпрямитель VD1-VD4 (VD5-VD8), нагруженный реле К. Поэтому исполнительное реле К в каждом канале присоединяется к схеме как реле напряжения. Ток выпрямленного напряжения в его об57


мотке изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени, определяемой соотношением активных сопротивлений элементов схемы к индуктивности катушки реле К. Параметры резисторов и катушек реле К выбраны такими, что магнитный поток в магнитопроводе при переходных процессах в сети, обусловленных коммутациями силовых присоединений (асинхронных двигателей), не достигает порога срабатывания реле. Это позволяет настраивать защиту УМЗ по току, не намного превышающему пусковой ток электродвигателя потребителя (Iуст = 1,1Iпуск) и этим значительно расширить зону действия защиты. Требуемые уставки срабатывания УМЗ (приложение 1; приложение 2) устанавливают резисторами R2 переменного сопротивления. Работоспособность защиты проверяют по очереди для каждого канала путём отключения резисторов Rп. От этого увеличивается сопротивление цепи, присоединённой параллельно вторичной обмотке соответствующего трансформатора тока ТА. Вследствие увеличения напряжения на катушке реле К защита УМЗ будет срабатывать от пускового тока асинхронного двигателя защищаемого силового присоединения. В устройстве УМЗ применена механическая блокировка якоря исполнительного реле, препятствующая возвращению якоря реле в исходное состояние после срабатывания защиты. Деблокирование УМЗ выполняет персонал нажатием на кнопку деблокировки, расположенную на лицевой панели корпуса блока УМЗ. График зависимости собственного времени срабатывания защит УМЗ и ПМЗ от кратности тока короткого замыкания к току уставки (рис. 2.7) показывает, что скорость срабатывания исполнительного реле значительно увеличивается с увеличением соотношения указанных токов. Поэтому на практике принятая уставка максимальной токовой защиты Іуст.пр пускателя должна быть значительно меньшей расчётного тока двухфазного короткого замыкания І(2)кз на вводе асинхронного двигателя соответствующего силового присоединения. Предельное соотношение этого тока и принятой уставки МТЗ является коэффициентом чувствительности kч максимальной токовой защиты и описывается выражением: (2.3) kч = (І(2)кз / І уст.пр ) > 1,5, В случае, если расчётный коэффициент чувствительности МТЗ меньше допустимого значения (kч < 1,5), следует принять меры к по58


вышению расчётного значения величины тока двухфазного короткого замыкания І(2)кз на вводе асинхронного двигателя силового присоединения пускателя путём применения гибкого кабеля между пускателем и двигателем меньшей длины или увеличенного сечения, поскольку уменьшать принятую уставку максимальной токовой защиты пускателя не представляется возможным в связи с возможностью её снижения в этом случае до уровня, меньшего, чем пусковой ток двигателя защищаемого силового присоединения. t ср. mc 80 60 40 1 20 10

4 2

1

2

3

4

5

6

Ік/Іуст.

Рисунок 2.7 – Графики зависимости собственного времени срабатывания блоков УМЗ (1) и ПМЗ (2) от кратности тока к.з. к току уставки

59


Рассмотренные технические решения предусматривают определённое время срабатывания защиты, в течение которого будет поддерживаться ток (и соответствующая тепловая перегрузка) аварийного силового присоединения. Учитывая опасность взрыва метановоздушной смеси в условиях шахты от воспламенения в месте возникновения короткого замыкания, принципиально важной составляющей защитной функции следует считать предотвращение открытого искро – и дугообразования, способного вызвать этот взрыв. Ускорение выявления режима короткого замыкания может быть достигнуто на основе измерения скорости изменения тока в контролируемой сети. Реализация этого принципа может быть выполнена поразному, как путём непосредственного определения скорости нарастания тока в сети и сравнения этого параметра с контролируемой величиной, так и косвенно.

Рисунок 2.8 – Схема быстродействующей максимальной токовой защиты типа БМЗ с функцией реакции на скорость нарастания тока в сети

Примером реализации функции контроля скорости нарастания тока в сети является схема быстродействующей токовой защиты БМЗ, где предусмотрена реакция стабилитрона VD7 на величину па60


дения напряжения (что является функцией скорости нарастания тока сети) на резисторе R1 нагрузки мостового выпрямителя VD1-VD6 (рис. 2.8) [32]. В другом случае процесс повышения тока в трёхфазной сети может быть выявлен путём определения смещения момента (точки) совпадения мгновенных значений токов смежных фаз (iA и iB, в соответствии с рис. 2.9). Диаграмма электрических параметров указывает на наличие перемещения во времени этой точки в процессе увеличения тока трёхфазной сети (временнóй интервал ΔТ преобразуется в импульс напряжения U1 пропорциональной амплитуды, которая сравнивается с опорным напряжением Uоп) [33]. Итак, аварийное состояние сети может быть выявлено ранее, чем ток достигнет амплитудного уровня или действующего значения.

Im2 Im1

0

t U1

t

Uоп

0

t а

U1 Uоп 0

t1 t2

t3

б

t

Рисунок 2.9 – Диаграммы электрических параметров устройства выявления смещения момента совпадения мгновенных значений токов смежных фаз трёхфазной электросети: а – токовая перегрузка сети; б – трёхфазное короткое замыкание (трёхфазная система токов со стороны питающей трансформаторной подстанции)

Другим способом реагирования на скорость нарастания тока является измерение времени прохождения током (или напряжением, пропорциональным току) между двумя фиксированными уровнями 61


Uоп1 и Uоп2 (рис. 2.10) [34-36]. Повышенная интенсивность нарастания тока соответствует совпадению по времени интервалов существования импульса U9 (превышение напряжением U7, которое пропорционально току сети, предельного значения Uоп2) и импульса U11 ограниченной продолжительности, сформированного в момент, когда напряжение U7 становится равным напряжению Uоп1. Этот способ не требует выдержки времени на измерение амплитуды или действующего значения тока сети и поэтому является, в принципе, пригодным для выявления процесса короткого замыкания участковой сети на начальной стадии.

Рисунок 2.10 - Временные диаграммы параметров при определении интенсивности нарастания фазного тока сети

Наряду с рассмотренными свойствами средств выявления аварийного состояния промышленной трёхфазной электросети наличие процесса междуфазного короткого замыкания может быть установлено по факту скачкообразного изменения фазового смещения φ фазного тока (относительно фазного напряжения) в связи с соответствующим изменением активных и индуктивных составляющих электрического присоединения из-за отделение вследствие короткого замыкания части его активно-индуктивных сопротивлений (отрезок ка-

62


беля между точкой к.з. и двигателем, а также, - сам асинхронный двигатель). Однако следует иметь ввиду, что причиной увеличения (di/dt) может быть несколько воздействующих факторов (пуск АД; стопорение привода технологической установки соответствующего силового присоединения и др.), а причиной скачкообразного изменения фазового смещения φ фазного тока относительно фазного напряжения может быть подключение или отключение асинхронного электропривода потребителя участка с соответствующим питающим кабелем. Это требует точной настройки защитных средств для идентификации динамичного процесса изменения электрических параметров сети как короткое замыкание. В частности, скачкообразное фазовое смещение φ фазного тока следует использовать как команду на измерение di/dt и в качестве подтверждения короткого замыкания в силовом присоединении в случае, если величина скорости нарастания тока будет находиться в пределах, определённых соответственно режиму к.з. соответствующего присоединения [34, 35]. 2.2 Ограничение токовой перегрузки как мера противодействия воспламенению гибких кабелей при их междуфазном повреждении 2.2.1 Устройство и защитная функция гибких кабелей с параметрами взрыво-пожаробезопасности Нестационарность расположения электротехнического оборудования технологических установок шахтных участков обусловливает необходимость применения гибких кабелей для передачи электроэнергии к силовым вводам асинхронных двигателей. Однако отсутствие металлической брони создаёт благоприятные условия для механического повреждения гибкого кабеля. Это обусловливает возникновение коротких замыканий, сопровождаемых значительным увеличением тока. Такие токовые перегрузки являются причиной перегрева изоляции жил в цепях короткого замыкания, возникновения междуфазного дугообразования и воспламенения. Установлено [37], что в случае возникновения электрической дуги под оболочкой кабеля температура нагрева её поверхности является случайной величиной, распределённой по нормальному закону Гаусса, а доверительный интервал с вероятностью р = 0,99 составляет 63


870С. При этом в случае возникновения междуфазной дуги оболочка кабеля повреждается повышенным давлением, что так же является случайной величиной, распределённой по нормальному закону Гаусса с доверительной вероятностью р = 0,95 и находится в интервале 0,02÷1,18 МПа. Статистика аварий [37] свидетельствует, что причиной воспламенений более 40% гибких кабелей в шахтах являются междуфазные короткие замыкания их силовых жил. Именно воздействие на кабель средств механизации очистного участка приводит к повреждению защитной шланговой оболочки и изоляции с одновременным замыканием жил на землю или между собой. Такие аварийные состояния возникают как при внешнем повреждении оболочки, так и в случае её внешнего сдавливания, что сопровождается раздавливанием изоляции силовых жил, в частности, при их прижатии к неизолированной заземляющей жиле (см. рис. 1.14). Итак, шахтные гибкие экранированные кабели являются единственным электротехническим изделием в системе электроснабжения, которые не отнесены к взрывозащищённому электрооборудованию. Воздействующим фактором относительно взрыва метановоздушной смеси является источник достаточной тепловой энергии в точке повреждения кабеля. Поэтому мерами предупреждения возникновения данной опасности является ограничение во времени существования токовой перегрузки и ограничение величины тока перегрузки в цепи короткого замыкания. 11 10

1 2 3 4 5

9

6

8

7

64

Рисунок 2.11 - Устройство гибкого экранированного взрывобезопасного шахтного кабеля марки КГЭШуС-ПБ: 1 – силовая жила; 2 – вспомогательная жила; 3 – заземляющая жила; 4 – сепаратор; 5 – изоляция силовых и вспомогательных жил; 6 – электропроводящий экран; 7 – упрочняющие элементы; 8 – электропроводящая оболочка; 9 – внутренняя оболочка; 10 – медно-стальная оплётка; 11 – внешняя оболочка


Требованиям обеспечения взрыво-пожаробезопасности соответствует шахтный экранированный гибкий упрочнённый кабель повышенной безопасности марки КГЭШуС-ПБ (рис. 2.11), в котором предусмотрено шесть силовых жил 1, т.е., – расщепление каждой фазы на две жилы [37]. Особенностью конструкции кабеля является также расщепление заземляющей жилы на три жилы, каждая из которых попластикатом крывается электропроводным поливинилхлоридным (электропроводным экраном) 6. Оболочка скручивания вспомогательных жил и электропроводные экраны 6 основных жил 1 выполнены также из электропроводного поливинилхлоридного пластиката.

Рисунок 2.12 – Схема электроснабжения потребителя при применении кабеля КГЭШуС-ПБ (при возникновении междуфазного короткого замыкания)

Конструкция этого кабеля не допускает одновременное повреждение обеих жил фазы при их сжатии, поскольку силовые проводники каждой фазы рассредоточены в пространстве. Поэтому аварийное состояние будет отличаться замыканием между отдельными ветвями фазных проводников (рис. 2.12). Это позволяет снижать величину тока двухфазного короткого замыкания в 1,3÷1,8 раза относительно величины тока к.з. в трёхфазном кабеле (рис. 2.13), что достигается шунтированием дугового промежутка неповреждённой жилой этой же фазы. Установлено, что при дуговых процессах в кабеле продукты термического разложения изоляционного поливинилхлоридного пластиката уменьшают продолжительность горения электрической дуги до 30 mс, а сама оболочка кабеля может выдержать внутреннее давление в 2,0 МПа. Эти свойства позволяют избежать воспламенения 65


кабеля в случае создания в нём цепи двухфазного короткого замыкания (из-за повреждения изоляции силовых жил вследствие внешнего сдавливания) на интервале - от начала к.з. до срабатывания максимальной токовой защиты. Однако, важным является применение средств повышения скорости выявления и обесточивания короткого замыкания в кабельной сети шахтного технологического участка.

Рисунок 2.13 – Кривые токов короткого замыкания в кабелях КГЭШ 3х50 (1) и КГЭШуС-ПБ 6х25 (2) в зависимости от длины L кабеля [37]

2.2.2 Принципы автоматического ограничения тока короткого замыкания Существующие технические средства максимальной токовой защиты шахтных участковых электросетей основаны на сравнении тока в защищаемом присоединении с заданной величиной токовой уставки, т.е., требуют выполнять расчёт и выбор уставки максимальной токовой защиты. Этот принцип отличается простотой реализации, но имеет определённые недостатки: - вероятность ошибки персонала при определении и регулировании уставки срабатывания защиты; - некоторая задержка во времени срабатывания защиты, обусловленная продолжительностью достижения величиной контролируемого тока величины уставки срабатывания защиты и питания аварийного присоединения током короткого замыкания на протяжении продолжительности выявления состояния к.з. и защитного отключения. 66


В то же время, в промышленности может быть применён альтернативный способ максимальной токовой защиты, основанный на выявлении аварийного состояния путём измерения скорости нарастания тока в сети и автоматического ограничения величины тока в течение определения аварийного состояния и защитного отключения силового присоединения. Сеть (от источника электропитания) А

В L1

VS1 L4

VS2 L5

С L2

L3

VS3 L6 БОС

БКТ

Защищаемое присоединение

Рисунок 2.14 – Схема устройства автоматического ограничения тока короткого замыкания

Принцип автоматического ограничения тока в силовом присоединении поясняется схемой (рис. 2.14) [38]. Устройство содержит 67


управляемый реактор (в блоке ограничения тока БОТ), подключенный в фазы сети между источником питания и защищаемым присоединением. При нормальном режиме эксплуатации через включенные встречно рабочие обмотки L1; L2; L3 и обмотки управления L4; L5; L6 фаз реактора протекает номинальний ток линии. В этом случае, поскольку рабочие обмотки и обмотки управления геометрически совмещены в пространстве и охватывают определённое сечение магнитной цепи, будет иметь место полная компенсация их магнитных потоков, что определит близкую к нулю величину индуктивного сопротивления реактора. Падение напряжения на реакторе будет определяться, преимущественно, величиной активного сопротивления обмоток, которое не велико. В случае возникновения короткого замыкания в линии исчезают управляющие сигналы с выходов блока контроля тока БКТ и обмотки управления отключаются полупроводниковыми ключами (симисторами) VS1-VS3. Возникает быстрая раскомпенсация магнитных потоков обмоток. Магнитные потоки рабочих фазных обмоток существенно увеличиваются и этим повышается их индуктивное сопротивление. Применение управляемого реактора позволяет в автоматическом режиме скачкообразно увеличить сопротивление фаз электрического присоединения с цепью короткого замыкания и этим уменьшить ток в этом присоединении до величины, соразмерной с рабочим током. Ограничение тока начинается с незначительной задержкой времени, обусловленной временем отключения симисторов. Быстродействие защиты позволяет произвести токоограничивающее воздействие даже на ударный ток к.з. (возникающий не позднее 2-го периода частоты сети после момента возникновения к.з.). 2.3 Проблематика защиты от междуфазных замыканий через сопротивление электрической дуги Специфическим аварийным состоянием силового электрооборудования является междуфазное дугообразование вследствие повреждения междуфазной изоляции. Это состояние является нетипичным при эксплуатации горно-шахтного электрооборудования, однако оно является вероятным и представляет собой опасность по фактору создания условий возникновения пожара или взрыва метано-воздушной смеси в условиях шахты. В дальнейшем, по мере распространения дугообразования, оно превращается в междуфазное короткое замыкание. Однако само дугообразование (дуговое замыкание) не может 68


быть выявлено существующими средствами максимальной токовой защиты, поскольку сопротивление электрической дуги отлично от нуля и соразмерно сопротивлению силовой нагрузки кабельного присоединения (например, сопротивлению статора асинхронного двигателя). Структура схемы автоматической защиты от междуфазного дугообразования основана на управлении уставкой токовой защиты АД потребителя на этапе его пуска (рис. 2.15) [39]. Автоматический выключатель

Асинхронный двигатель ДТ

БС3

ДС БС1

U1

БЗУ1 U3 U4

БС2

Uс Интегратор

Uинт

1

U2

БЗТ

D1

БЗУ2

Рисунок 2.15 – Структурная схема устройства защиты от дуговых замыканий в сети питания асинхронного двигателя и несостоявшихся пусков

В начале пуска асинхронного двигателя блок задания уставки тока (БЗТ) формирует уставку тока, превышающую величину пускового тока двигателя. Выходной параметр датчика скорости (ДС) сравнивается в блоке сравнения (БС1) с опорным напряжением, сформированным блоком задания уровня (БЗУ1), которое равно выходному напряжению ДС при достижении двигателем скорости вращения ротора близкой к номинальной. В случае Uс>U1, на выходе 69


БС1 формируется команда U3 на уменьшение уставки токовой защиты, которая поступает через элемент ИЛИ (D1) на вход БЗТ. Уставка защиты уменьшается до величины, несколько (на 20-50%) бóльшей номинального тока асинхронного двигателя, что даёт возможность реагировать на токовую перегрузку, соизмеримую с номинальным током потребителя (двигателя). Устройство обеспечивает защиту и в случае несостоявшегося пуска АД. Эта функция отрабатывается следующим образом. Выходное напряжение датчика скорости поступает на вход интегратора и запрещает его работу. В случае несостоявшегося пуска интегратор функционирует, напряжение на его выходе повышается. Оно сравнивается с выходным напряжением второго блока задания уровня (БЗУ2). В случае Uинт > U2 на выходе блока сравнения БС2 формируется команда U4 на уменьшение уставки токовой защиты, которая поступает через элемент ИЛИ (D1) на вход БЗТ. В этом случае уставка защиты снижается сразу после установления факта несостоявшегося пуска АД (т.е., ранее окончания нормируемого интервала пуска асинхронного двигателя). Поскольку уменьшенная уставка оказывается меньшей, чем пусковой ток двигателя, будет иметь место защитное отключение автоматического выключателя. Процесс междуфазного дугообразования в кабеле питания асинхронного двигателя может быть выявлен и техническими средствами со стороны его статора путём определения разности величин линейных токов в трёхфазной схеме статора с последующим разъединением этой трёхфазной схемы и присоединением обмотки одной из фаз статора двигателя к его заземлённому корпусу через резистор. При условии применения аппарата защиты от утечек тока на землю (АЗУР) этим обеспечивается быстродействующее двустороннее обесточивание аварийного места силового присоединения в участковом электротехническом комплексе шахты (одновременно с защитным отключением ЭТК от КТП). Это способствует предупреждению пожара, обусловленного током междуфазного дугового замыкания в кабеле электропитания АД [26, 40]. Структурная схема соответствующего устройства защиты представлена на рис. 2.16. Устройство защиты имеет в своём составе трёхполюсный аппарат коммутации (контактор КМ1) трёхфазной схемы статора ZSA; ZSB; ZSC асинхронного двигателя потребителя участка. 70


В цепях линейных токов статора (в «звезде» статорной обмотки АД) предусмотрены трансформаторы тока, соответственно, ТА1; ТА2; ТА3, соединённые выходами с входом выпрямителя VC1. Нагрузкой этого выпрямителя является цепь последовательного соединения потенциометра R1 и конденсатора С1 (резистор R3 большого сопротивления предназначен для разряда конденсатора С1). Это создаёт возможность выделить на потенциометре R1 переменную составляющую выпрямленного напряжения (с выхода VC1), пропорционального вторичному току трансформаторов ТА1-ТА3. ZSA

KM1

SF1 TA1

ZSB Rэд ZSC

W2 КТП РУНН КТП

АЗУР

TA2

TA2

KM1.1

R2

заземляющий болт на корпусе АД

R1

С1

РО

ИКА

R3

Рисунок 2.16 - Структурная схема устройства отключения обратного энергетического потока АД в электротехническом комплексе участка шахты при возникновении междуфазного дугообразования в кабеле питания АД

В нормальном режиме работы электротехнического комплекса, при отсутствии дугового замыкания в сети электропитания асинхронного двигателя все три линейных тока его статора, соединённого в трёхфазную схему размыкающими контактами контактора КМ1, одинаковы. Вторичные токи трансформаторов тока ТА1-ТА3 также не отличаются по величине между собой. Будучи поданными на выпрямитель VC1, они создают на резисторном делителе напряжения (потен71


циометре R1) переменную составляющую напряжения стабильной величины и формы. В случае возникновения междуфазного дугообразования (обозначено резистором Rэд) в сети питания асинхронного двигателя, линейный ток его статора, контролируемый трансформатором тока ТА2, будет существенно отличаться от двух других линейных токов трёхфазной обмотки статора. Из-за этого будет иметь место наличие импульсов повышенной амплитуды в переменной составляющей выходного напряжения на резисторном делителе напряжения R1 активно-ёмкостной нагрузки выпрямителя VC1. Это приведёт к срабатыванию реагирующего органа (РО) и исполнительного коммутационного аппарата ИКА. Замыкающий контакт КМ1.1 этого аппарата присоединяет статорную обмотку асинхронного двигателя к его заземлённому корпусу (заземляющий болт) через резистор R2, что является созданием искусственной утечки тока на землю и в связи с этим должно привести к срабатыванию участкового аппарата защиты от утечек тока на землю (АЗУР) в распределительном устройстве низкого напряжения участковой комплектной трансформаторной подстанции (РУНН КТП). По команде последнего отключится автоматический выключатель SF1 КТП. Одновременно с этим исполнительный коммутационный аппарат (ИКА) разомкнёт свои размыкающие контакты (трёхфазная система КМ1), чем разорвёт трёхфазную схему соединения статорных обмоток двигателя, и предотвратит электропитание повреждённого места сети от обратного энергетического потока асинхронного двигателя. Этим обеспечивается двустороннее обесточивание места междуфазного дугообразования в сети питания АД шахтного участкового электротехнического комплекса. В случае возникновения междуфазного дугового замыкания в сети после её отключения при условии нахождения асинхронного двигателя в режиме свободного выбега также будет иметь место неодинаковость линейных токов, контролируемых трансформаторами тока ТА1-ТА3. Это приведёт к срабатыванию реагирующего органа РО и исполнительного коммутационного аппарата ИКА, который отключением контактов трёхфазной контактной группы КМ1 отделит от сети обратный энергетический поток со стороны статора асинхронного двигателя и этим обесточит место повреждения (возникновения междуфазного дугообразования) в сети его питания.

72


2.4 Автоматическая защита электрооборудования от перегрева вследствие токовых перегрузок Перегрев электрооборудования в процессе эксплуатации обусловлен, как правило, протеканием повышенного тока по силовым цепям вследствие перегрузки электродвигателей потребителей. Нагрев электродвигателя, как любого физического тела, происходит по экспоненциальному закону и определяется выражением:

τ = τ с ⋅ (1 − e

t TH

) +τ o ⋅ e

t TH

(2.4)

где τс ; τо – соответственно, конечное (установившееся) и начальное значение превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды, °С. Кривая охлаждения двигателя описывается уравнением:

τ =τс ⋅e

t T ох

(2.5)

где Тн ; Тох – соответственно, постоянная времени нагрева и охлаждения, двигателя, мин. Постоянная времени нагрева электродвигателя определяется отношением теплоёмкости двигателя (С) к его теплоотдаче (А) в окружающую среду. В зависимости от конструкции и мощности двигателя параметр Тн находится в пределах от нескольких десятков до 100 и более мин. Параметр τс определяется соотношением количества теплоты (Q), создаваемой двигателем в единицу времени к его теплоотдаче (А). Таким образом, интенсивность нагрева двигателя определяется тепловыми потерями в его обмотках, т.е. величиной тока двигателя. Защита от токовой перегрузки, в частности, выполняется на основе применения реле максимального тока как с независимой, так и с зависимой от тока задержкой времени. Ток срабатывания защиты от перегрузки отстраивается от номинального тока защищаемого присоединения:

I С .З = 73

kо ⋅ IH kв

(2.6)


где kо – коэффициент отстройки, равный 1,15-14; kв – коэффициент возврата реле. Выдержка времени срабатывания для электродвигателя принимается бóльшей, чем время его пуска, а для трансформатора - на уровень селективности, превышающий выдержку времени максимальной токовой защиты. В качестве примера вторичных максимальных реле тока схем релейной защиты и противоаварийной автоматики может быть рассмотрено реле РТ-40 (рис. 2.17).

Рисунок 2.17– Конструкция реле тока типа РТ-40: 1 – втулка; 2 – спиральная пружина; 3 – ось; 4 – контактный мостик; 5 – контактные пружины; 6 – винты; 7 – неподвижные контакты; 8 – контактные пластини; 9 – верхняя цапфа; 10 – якорь; 11 – магнитопровод электромагнита

В составе высоковольтных комплектных распределительных устройств КРУВ-6 и КРУРН-6 эти реле выполняют защиту от токовой перегрузки с независимой выдержкой времени, воздействуя на электромагнит отключения силового выключателя [4, 16, 41]. Действие реле состоит в перемещении контактного мостика 4 (замыкающего контактные пластины 8 неподвижных контактов 7) вследствие поворота якоря 10 электромагнита. Обмотки на магнито74


проводе 11 предназначены для подключения ко вторичным обмоткам трансформаторов тока защищаемых электроустановок. Вторичный ток этих трансформаторов создаёт магнитный поток электромагнита реле. Уставка срабатывания реле регулируется отпусканием спиральной пружины 2, противодействующей перемещению якоря 10. Реле РТ-40 имеет два диапазона уставок срабатывания, соответственно, при параллельном (диапазон I) и последовательном (диапазон II) соединении обмоток магнитопровода 11. При работе на диапазоне II ток уставки соответствует удвоенному току уставки диапазона I. 1000

100

Рисунок 2.18 – Время-токовые характеристики устройств токовой защиты от перегрузок (ТЗП)

10

2

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

Одной из распространённых является защита от перегрузки электродвигателей (ТЗП) [4, 16]. Она применена в схемах силовых коммутационных аппаратов: магнитных пускателей; станций управления. Принцип её действия основан на моделировании теплового состояния двигателя аналогом на базе активно-ёмкостного контура. Допускается, что температура обмоток электродвигателя пропорцио75


нальна квадрату тока нагрузки I, и двигатель нагревается по экспоненциальному закону:

τ = k П ⋅ I 2 ⋅ (1 - e

-

t TH

)

(2.7)

где kП – коэффициент пропорциональности; Тн – постоянная времени нагрева. Если на контур, состоящий из резистора и ёмкости, подавать напряжение UВХ пропорциональное квадрату тока нагрузки электродвигателя, то напряжение на ёмкости будет изменяться во времени по тому же закону, т.е.:

U C = U BX ⋅ (1 - e

-

t TЗ

)

(2.8)

где ТЗ=R·С – постоянная времени заряда активно-ёмкостного контура. При условии равенства постоянных времени: нагрева электродвигателя и заряда активно-ёмкостного контура, напряжение на конденсаторе контура будет точно соответствовать температуре обмотки двигателя. Защитная характеристика ТЗП обеспечивает несрабатывание защиты в течение < 5 с при перегрузках 6 IH защищаемого объекта; срабатывание на протяжении < 6 мин. при перегрузке 1,2 IH защищаемого объекта, в холодном состоянии. Это достигается применением двух RC-цепей, моделирующих нагрев электродвигателя и имеющих разные постоянные времени. RC-цепи с бóльшей постоянной времени моделирует продолжительную нагрузку двигателя относительно небольшими токами (1,2IH). RC-цепь с меньшей постоянной времени и более интенсивным нарастанием напряжения обеспечивает срабатывание защиты при более высоких (пусковых) токах двигателя. Время-токовая характеристика устройства ТЗП состоит из двух участков (рис. 2.18.): части время-токовой характеристики основного контура (кривая 1), что соответствует токам перегрузки до 1,2IH и дополнительного контура (кривая 2), что соответствует более высоким токам перегрузки. Измерительная часть схемы ТЗП (рис. 2.19) подключается ко вторичным обмоткам трансформаторов тока (ТТЗ) силового коммутационного аппарата контактами 3-6 штепсельного разъёма и содержит делители напряжения из R2, R3 и R5, R6, активно-ёмкостные це76


пи R7-C3 и R8-C2, схему «ИЛИ» из диодов VD4, VD5. Исполнительная часть ТЗП питается от трансформатора пускателя напряжением 36 В через контакты 8 и 10 разъёма и выпрямитель VD8-VD11. Она выполнена на основе устройства на однопереходных транзисторах VT1; VT2 и тиристоре VS1 с электромагнитным реле K1.1 в анодной цепи и с применением выпрямителя VD8-D11. „Робота” „Перевірка”

Рисунок 2.19 – Принципитальная схема блока токовой защиты «ТЗП».

При работе электродвигателя, подключенного к силовому коммутационному аппарату, напряжение на вторичных обмотках трансформаторов тока через выпрямитель VD1-VD3 подаётся на делители напряжения R2–R3 и R5–R6, что приводит к заряду ёмкостей С2 и С3. Если двигатель работает без перегрузки, то напряжения на полностью заряженной ёмкости не достаточно для отпирания ключа VT1. В случае увеличения нагрузки двигателя (повышения тока в первичных цепях ТТЗ) происходит дальнейший заряд ёмкостей С2 и С3. При этом, когда напряжение на одной из ёмкостей достигнет величины напряжения срабатывания ключа VT1 (на С2 – при стопорении вала двигателя или затянувшемся его пуске, на С3 – при токах перегрузки двигателя, превышающих 1,2 величины номинального тока, но меньших, чем пусковой ток двигателя), этот ключ (VT1) отпирается и по77


даёт импульс на управляющий электрод тиристора VS1. В результате, включается реле К1.1, которое, в свою очередь, контактом К1.2 воздействует на цепь отключения контактора силового коммутационного аппарата. Ввод уставок срабатывания осуществляют резистором R4. Значения уставки У определяют из выражения: У=

I Н . ДВ I Н .ПУСК

(2.9)

где IН.ДВ, IН.ПУСК – номинальный ток двигателя и пускателя, соответственно. Уставки срабатывания блока даны в условных единицах от 0,5 до 1,0 с шагом 0,1. Рассмотренные функции максимальной токовой защиты (устройство ПМЗ) и токовой защиты электродвигателей от перегрузок (устройство ТЗП) обобщены в устройствах токовой защиты типов БТЗ-1 … БТЗ-3; БТЗ-М [42, 43]. Указанные блоки выполнены на основе микроконтроллеров, отличаются повышенной точностью отработки защитных функций и бóльшей информативностью. Схема подключения блока токовой защиты БТЗ, его эксплуатационные свойства приведены в приложениях 3-6 и в приложении 8. 2.5 Принципы построения средств защитного обесточивания цепи утечки тока на землю 2.5.1 Устройство и свойства средств выявления состояния утечки тока на землю Диалектика развития теории защиты человека от электропоражения в сетях с изолированной нейтралью трансформатора охватывает несколько взаимосвязанных направлений. Простейший принцип выявления наличия цепи утечки на землю предполагает протекание постоянного оперативного тока по фазам трёхфазной промышленной сети с подключением измерительно-реагирующего элемента (реле) последовательно в цепь оперативного тока при использовании статического компенсатора ёмкости изоляции фаз сети - дросселя (рис.2.20, а, б) [21]. Выявить однофазную утечку тока на землю также возможно по напряжению или току нулевой последовательности (рис. 2.20, в, д). 78


Rу а)

Rу б)

Rу в)

Rу д) Рисунок 2.20 – Электрические схемы, поясняющие способы контроля сопротивления изоляции участковой электросети относительно земли: наложение на сеть постоянного оперативного тока (а), контроль випрямленных токов сети (б), контроль напряжения (в) и тока (д) нулевой последовательности

79


Общее выражение для вычисления напряжения нулевой последовательности в устойчивом аварийном режиме имеет вид [7]: U& 0 = U 0 m e jϕ = U m ⋅

e jϕ 1 + 9R ω С 2 у

2

2

,

(2.10)

где U 0m − модуль напряжения нулевой последовательности; ϕ = arctg 3ωCR у ; U m − амплитуда фазного напряжения. Величина напряжения нулевой последовательности контролируется исполнительным органом К, включенным между нулевой точкой фильтра присоединения Z 0 и землёй (рис. 2.20, в) [7; 44]. Для выявления аварийного режима по току нулевой последовательности используется кольцевой трансформатор тока (рис. 2.20, д) [45]. При относительной простоте и высоком быстродействии такие устройства характеризуются незначительной чувствительностью, неспособностью реагировать на симметричные снижения сопротивления изоляции, высокой вероятностью ложных срабатываний. К недостаткам таких схем относятся: низкая точность выявления аварийных состояний (из-за использования электромагнитных реле в качестве измерительных устройств) и отсутствие самоконтроля исправного состояния устройства, что создаёт опасность невыполнения функции выявления утечки тока на землю. Нарушение пути тока через обмотку реле, включенную последовательно в цепь контролируемого параметра, обусловит неработоспособность схемы аппарата защиты в целом. Существенным недостатком схемы выявления утечки тока на землю при подключении обмотки реле в последовательную цепь контролируемого параметра является увеличение чувствительности к коммутационным перенапряжениям в сети и, как следствие, - многочисленные ложные срабатывания защиты [14, 46]. С другой стороны, применение реле с повышением параметра тока срабатывания отрицательно влияет на чувствительность схемы к состоянию утечки тока на землю. Повышение чувствительности к состоянию утечки тока на землю и точности выполнения защитной функции при использовании реле в качестве измерительного устройства достигается путём применения дифференциальных схем (рис. 2.21). 80


Uэт К R2

Uизм

R1 Rиз

Iэт Iизм

Рисунок 2.21 - Дифференциальная схема контроля сопротивления изоляции сети

Действие этих схем основано на сравнении тока в измерительной цепи (Iизм) с эталонным током (Iэт) в двухобмоточном реле К. Магнитные потоки в магнитопроводе реле, наводимые токами Iизм и Iэт , направлены встречно. Это создаёт возможность применить реле с уменьшенным током срабатывания (Iср) и этим повысить чувствительность схемы защиты:

I ср = I изм − I эт

(2.11)

Классическим примером промышленной реализации этого принципа является схема аппарата защиты от утечек тока на землю серии УАКИ (рис. 2.22) [4]. Устройство контроля состояния изоляции выполнено на основе вентильной схемы VD1 – VD3 и двухобмоточного реле К. Тяговая обмотка II этого реле через диоды VD1 – VD3 источника постоянного измерительного тока и токоограничивающие резисторы R1 – R3 подключена между фазами сети и заземлителем («з»). Зажим «Дз» отдельным кабелем присоединяется к дополнительному местному заземлителю, который должен располагаться от заземлителя «з» на расстоянии 5 м, или более. При высоком сопротивлении изоляции ток от выпрямителя (VD1 – VD3) проходит через резисторы R4 – R6 на тормозную обмотку І реле К. Магнитные потоки обмоток І и ІІ реле К направлены встречно, и суммарный магнитный поток не достаточен для срабатывания этого реле. Однако, при уменьшении сопротивления изоляции (Rиз) выпрямленный ток должен проходить также через резисторы R1 – R3, Rиз, землю, заземлитель «з», килоомметр PR, обмотки реле К. Этот ток увеличивается по мере уменьшения сопротивления изоляции Rиз. Однако до тех пор, пока напряжение на тяговой обмотке ІІ будет меньшим напряжения на цепи, созданной резисторами R7, R8 и тормозной обмоткой І, диод VD4 остаётся открытым, а ток будет возрастать по мере уменьшения Rиз обратно-пропорционально сопротивлению указанных цепей.

81


С увеличением тока возникает состояние, когда напряжение на обмотке ІІ превышает величину напряжения цепи «R7, R8 – обмотка І», что становится условием запирания диода VD4. При дальнейшем уменьшении Rиз ток в тормозной обмотке І не будет изменяться в то время, как ток в рабочей обмотке ІІ будет увеличиваться. В результате будет повышаться магнитный поток в реле К и оно сработает при определённом значении Rиз.

Рисунок 2.22. - Схема аппарата защиты от утечек тока на землю УАКИ

При срабатывании реле К его контакт К1 замыкаясь шунтирует тормозную обмотку І, что обусловливает дальнейшее протекание тока исключительно по тяговой обмотке ІІ и этим способствует удержанию реле К в состоянии срабатывания даже после повышения величины Rиз. Принцип последовательного подключения обмотки реле в цепь оперативного тока применён и в схеме аппарата защитного отключе82


ния высоковольтной шахтной сети АЗО-6 (приложение 12) [16]. Защитная функция аппарата состоит в осуществлении совместно с выключателем высоковольтного распределительного устройства отключения сети 6 кВ при возникновении одно-, двух- или трёхфазной утечки тока на землю и непрерывном контроле сопротивления изоляции сети. Существенным недостатком схемы АЗО-6 является отсутствие средств, обеспечивающих селективность защитного действия аппарата. В частности, его срабатывание будет иметь место всякий раз, если в любой точке высоковольтной сети будет возникать цепь утечки тока на землю (цепь повышенной проводимости между фазой высоковольтной сети и землёй). В этом случае вследствие срабатывания аппарата АЗО-6 могут отключаться присоединения высоковольтной сети с неповреждённой изоляцией, потребители первой категории, что недопустимо, как недопустимо и отключение всей гальванически связанной высоковольтной (6 кВ) сети шахты. Поэтому применение устройства АЗО-6 может иметь место только на отдельных участках высоковольтной ети при условии отделения этих участков силовыми разделительными трансформаторами 6/6 кВ. Это требует дополнительных капитальных затрат и на практике, как правило, не применяется. Исходя из этого, на современных предприятиях разрешено применение селективных устройств защиты от замыканий на землю в высоковольтных сетях (как временная защитная мера до разработки и начала промышленного использования селективных устройств защиты от утечек тока на землю в высоковольтных шахтных сетях). Выявление цепи утечки тока на землю и измерение тока утечки путём придания электромагнитному реле наряду с исполнительной – измерительной функции реализуется простой схемой. Однако она не позволяет контролировать состояние самого реле и при его отказе не обеспечивает функцию защиты от утечек тока на землю. Совмещение защитной функции и функции самоконтроля состояния элементов средства автоматической защиты от утечек тока на землю строится на таком изменении функциональной направленности структурных составляющих защиты, при которой имеет место распределение между элементами функции выявления утечки на землю (электронная схема сравнения эталонного и оперативного токов) и формирования команды на защитное отключение силового коммутационного устройства и участковой сети (электромагнитное реле, исходное состояние которого является включенным). При этом 83


элементы схемы, связанные с работой реле, должны выполнять простые логические функции так, что отсутствие одной из таких функций должно свидетельствовать о неработоспособности схемы в целом. Примером реализации этого принципа является схема сравнения измерительного (оперативного) и эталонного токов (рис. 2.23) [14]. В схеме через эмиттер-базовый переход транзистора V1 протекает пульсирующий эталонный ток Іэт, в форме прямоугольных импульсов (рис. 2.24). При условии высокого сопротивления изоляции Rиз≈∞, в измерительной цепи течёт ток Іизм от источника Еизм через вход усилителя на транзисторах V1 – V2, заземлитель «з», землю, дополнительный заземлитель «Дз», дополнительные резисторы Rд, обмотки трансформатора Тр, дроссель Lк, балластный резистор Rб. 1

Тр

Rиз

tп

ti

Дз

2

Іэт м

К

Еизм

ti V2

Еэт ~

1

V1 R1 Іэт

2

tп

Ф

ti

2

Е з

1

ti

Рисунок 2.23 – Схема контроля сопротивления изоляции, действующая на принципе сравнения измерительного и эталонного токов

tп

Рисунок 2.24 – Графики изменения эталонного (1) и измерительного (2) токов в схеме контроля по рис. 2.23

Этот ток меньше, чем амплитуда эталонного тока Іэт. Поэтому на протяжении времени ti протекания импульса тока Іэт транзистор V2 будет заперт. Он откроется во время паузы (когда Іэт = 0) измери84


тельным током Іизм. Вследствие периодического отпирания в коллекторе транзистора V2 протекает переменный ток, который после фильтрования (фильтр Ф) и последующего выпрямления будет поддерживать реле К во включенном состоянии. Это позволит включить автоматический выключатель РУНН комплектной трансформаторной подстанции участка и подать напряжение на контролируемую сеть. В случае недопустимо малого сопротивления изоляции измерительный ток Іизм станет превышать амплитуду эталонного тока Іэт. Это определит продолжительное открытое состояние транзистора V2 и протекание постоянного тока по первичной обмотке трансформаторного фильтра Ф. Поэтому, на выводе фильтра сигнал исчезает, что ведёт к отключению исполнительного реле К. Таким образом, автоматический контроль состояния элементов схемы выявления и защитного отключения цепи утечки тока на землю обеспечивается тремя методами [14]: созданием искусственной цепи утечки (резисторами Rд); использованием транзисторов V1 – V2 в режиме периодического отпирания - запирания; подключением реле К так, что ток в его обмотке уменьшается как в случае возникновения утечки на землю в сети, так и при повреждении его обмотки, диодов выпрямителя, трансформатора Тр. Это создаёт возможность отключать реле К при повреждении любого из элементов схемы или нарушении цепей связи аппарата с сетью и заземлителями. При обрыве цепи любого из элементов, подключенных в измерительную цепь, ток Іизм исчезает и транзистор V2 запирается. К этому же результату приводит и обрыв цепей самого этого транзистора. В случае пробоя p-n-p переходов транзистора, в первичной цепи трансформаторного фильтра Ф будет протекать постоянный ток, что обусловит исчезновение тока в обмотке реле К. Рассмотренный принцип выявления и защитного отключения цепи утечки тока на землю использован в аппаратах защитного отключения сети серий АЗПБ, АЗУР (рис. 2.25) [4, 14]. Принцип выявления опасного снижения активного сопротивления изоляции сети Rиз относительно земли (возникновения утечки тока на землю) реализуется путём сопоставления (элементом сравнения ЭС) оперативного ( I оп ) и пульсирующего эталонного (Іэт) токов, первый из которых генерируется источником оперативного тока ИОТ и накладывается между фазами сети и землёй, второй − протекает в цепи генератора G прямоугольных импульсов. 85


86

У1

п у

F(Cиз)

Сиз

Рисунок 2.25- Функциональная схема апарата защиты от утечек тока на землю серии АЗУР

Iэт

ЭС

ИОТ

У2

Rиз


При наличии цепи повышенной проводимости на землю оперативный ток превышает амплитудные значения импульсов эталонного тока и через усилитель У1 подаётся команда на защитное отключение сети путём обесточивания реле К2, которое, в свою очередь, обесточивает нулевой расцепитель автоматического выключателя участковой трансформаторной подстанции. Направлением усовершенствования средств выявления состояния утечки тока на землю следует считать применение схем, реагирующих на скорость нарастания оперативного тока I оп , либо пропорционального этому току другого электрического параметра, что способствует повышению быстродействия защитного отключения сети. 2.5.2 Автоматическая компенсация ёмкости изоляции сети Государственным стандартом «Аппараты защиты от токов утечки рудничные для сетей напряжением до 1200 В. Общие технические условия». ГОСТ 22929-78 [28] установлена максимально допустимая безопасная величина количества электричества (q= 50 mА*с), которое может получить человек в случае касания токоведущих проводников электросети. Поэтому важнейшей функцией аппаратов защитного отключения является ограничение количества электричества в цепи утечки тока на землю. Эта функция может быть реализована: - путём повышения быстродействия выявления и обесточивания цепи утечки тока на землю; - путём применения полной компенсации ёмкостных сопротивлений изоляции сети. Условием применения автоматической компенсации ёмкости изоляции сети является точное, быстродействующее её измерение. Решение этой задачи усложняется тем, что измерение ёмкости необходимо осуществлять непрерывно, в условиях появления коммутационных переходных процессов (что сопровождается кратковременной асимметрией фазных токов и напряжений трёхфазной сети); при недопущении воздействия на режим нейтрали сети и на работоспособность устройства выявления состояния утечки тока на землю. Указанным требованиям, в частности, соответствует метод, основанный на изменении коэффициента усиления усилителя, в цепь обратной связи которого подключена измеряемая ёмкость сети (рис.2.26) [14]. Цепь, созданная последовательно соединёнными 87


дросселем L2 и конденсатором C3, настраивается на частоту 50 Гц и поэтому представляет собой незначительное сопротивление для токов утечки. Поэтому при возникновении утечки тока на землю почти всё напряжение смещения нейтрали прикладывается к конденсаторам С4 – С6. Влияние напряжения, обусловленное активным сопротивлением дросселя L2 отсутствует в связи с действием фильтра L1 C2, настроенного на частоту 50 Гц и создающего значительное сопротивление току промышленной частоты.

TV1

-

U = f(Cc)

R1

С4 С5 С6

См

VT1 L1 C1 G

~

C2

C3 L2

+

Рисунок 2.26 – Схема измерения ёмкости сети со смещённым сопротивлением в цепи обратной связи

Частота измерительного напряжения, подаваемого от генератора G, принимается в десятки раз бóльшей промышленной частоты сети. Поэтому сопротивление дросселя L2 измерительному току существенно превышает сопротивление конденсаторов С4 – С6 присоединения схемы к сети. Поэтому фильтр L2 C3 не влияет на работу измерительной схемы. При изменении ёмкости сети соответственно изменяется и эквивалентное сопротивление, подключенное в цепь обратной связи между выводом «+» источника питания и эмиттером транзистора VT1. Это приводит к изменению коэффициента усиления усилителя на транзисторе и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора TV1. Таким образом, на выходе схемы (вторичная обмотка трансформатора TV1) появляется напряжение, являющееся функцией ёмкости изоляции сети U = f(Cс). Усовершенствованной версией рассмотренного средства измерения является схема измерения ёмкости изоляции сети с переменным сопротивлением автономного колеба88


тельного контура (рис. 2.27) [14]. В состав измерительного устройства входит схема, образованная двумя колебательными контурами. Контур L1 C1 не имеет связи с сетью и поэтому имеет стабильные характеристики. Другой колебательный контур L2 C2 C3 Zф Cс содержит параметры структурных составляющих кабельной сети (полное сопротивление рабочих жил кабелей и ёмкость изоляции Cс). Оба контура являются нагрузками транзистора VT1, работающего в ключевом режиме. При этом величина тока колебательного контура L2 C2 C3 Zф Cс L1 C1 определяется напряжением источника питания Е и сопротивлением резистора R3. L1

С1

С2

L2

Сс TV1

R1

R4

R2

R3

С3 Выход

VD2 VD3 VD1

VT1

E

Рисунок 2.27 – Схема измерения ёмкости сети с переменным сопротивлением автономного колебательного контура

Поскольку в состав второго колебательного контура входит ёмкость Cc изоляции сети, её изменение (в случае подключения в работу или отключения того или иного кабеля) приводит к изменению сопротивления контура измерительному току, протекающему через резистор R3. Из-за этого изменяется напряжение на контуре, т.е., величина напряжения на вторичной обмотке трансформатора TV1 является функцией величины ёмкости изоляции сети (U = f(Cс)). Рассмотренный принцип применён в схемотехнике автокомпенсаторов аппаратов защиты серии АЗУР (рис. 2.25). Автокомпенсация ёмкостной составляющей тока утечки осуществляется дросселем L1 с регулируемой индуктивностью, который включен между искусственно созданной нулевой точкой индуктивного фильтра присоединения – первичной обмотки трансформатора TV2 − и основным заземлителем аппарата «З». С увеличением фактической ёмкости сети Cиз возрастает частота f к колебательного контура КК, приближаясь к частоте импульсов f г генератора G, что обусловливает увеличение напряжения 89


на TV4 и соответствующее повышение тока І п подмагничивания дросселя L1. Наряду с рассмотренным, перспективы промышленного использования имеет усовершенствованный принцип автокомпенсации ёмкости изоляции сети, отличающийся повышенным быстродействием настройки и состоящий в непрерывной компенсации общей ёмкости 1мкФ/фазу, которая состоит частично из дополнительных ёмкостей в схеме аппарата защиты при условии быстродействующей их коррекции путём коммутации их составляющих в зависимости от изменения величины ёмкости изоляции сети. Управление процессом предусмотрено от микропроцессорного устройства измерения ёмкости изоляции сети (рис. 2.28) [47].

Рисунок 2.28 - Структурная схема устройства компенсации ёмкостных токов утечки: 1 – компенсирующий дроссель с немагнитным зазором; 2, 5 – фильтры; 3, 9, 10 – конденсаторы; 4 – генератор тока повышенной частоты; 6 – блок управления; 7, 8 – коммутирующие ключи

2.5.3 Автоматическое закорачивание повреждённой фазы как средство ускорения обесточивания цепи утечки тока на землю Определённым недостатком автокомпенсаторов, основанных на управлении подмагничиванием дросселя, является инерционность схемы, что приводит к некоторой задержке перенастройки дросселя в момент подключения или отключения того или иного кабеля сети. В сетях повышенного номинального напряжения (1140 В) создаются условия увеличения количества электричества в цепи утечки тока на землю (тело человека), что обусловливает целесообразность применения технических решений по ускорению обесточивания кабелей в процессе защитного отключения. 90


Этим требованиям соответствует принцип принудительного закорачивания на землю фазы, сопротивление изоляции которой уменьшилось до опасной величины (в случае повреждения изоляции или касания человеком фазного проводника). Структура устройства защиты от утечек тока на землю в сети 1140 В иллюстрируется схемой (рис. 2.29) и предполагает применение короткозамыкателей повреждённой фазы, которые срабатывают одновременно с защитным отключением сети [14]. Это создаёт возможность «шунтирования» человека на землю (в процессе защитного отключения сети) в случае его касания к токоведущим элементам с напряжением 1140 В.

ВПФ

УК

Рисунок 2.29 – Схема устройства применения защитного закорачивания на землю повреждённой фазы. 1-3 – фазные короткозамыкатели; 4 – блок выявления повреждения фазы; 5 – блок управления короткозамыкателями

Таким образом, защита от утечек тока на землю в шахтной сети 1140 В кроме устройства выявления повреждения фазы (ВПФ) и управления защитным отключением силового коммутационного аппарата должно быть дополнено блоком управления короткозамыкателями повреждённой фазы. Указанные функции реализуются блоком короткозамыкателя (рис. 2.30) [14]. Блок короткозамыкателя БКЗ состоит из двух устройств: статического компенсатора и устройства выявления и замыкания на землю фазы с повреждённой изоляцией. Компенсирующий дроссель L настроен на ёмкость сети 0,5 мкФ/фазу. Устройство выявления и замыкания на землю фазы с повреждённой изоляцией содержит релейный блок (РБ) и три одинаковых измерительных блока: «А»; «В»; «С», каждый из которых контролирует величину напряжения между соответствующей фазой сети и землёй. 91


Сеть 1140 В

К6

К6

Рисунок 2.30 – Принципиальная электрическая схема блока БКЗ-1140 аппарата защиты от утечек тока на землю РУ-1140

Измерительные блоки «А»; «В»; «С», построенные на принципе сравнения эталонного тока Іэт, пропорционального напряжению сети, и тока Іфо, определяемого напряжением относительно земли той фазы, к которой присоединён измерительный блок. При уменьшении сопротивления изоляции между фазой сети и землёй ток Іфо также уменьшается. В случае, если Іфо становится меньшим, чем эталонный Іэт, транзисторы V1 и V2 усилителя отпираются, и реле К1 срабатывает. Своим контактом К1.А, К1.В или К1.С, в зависимости от того, какой блок сработал, реле К1 включает цепь питания реле К4, К5 или К6, которое через резистор малого сопротивления соответствующего блока закорачивает фазу сети на землю. С целью предупреждения ложных срабатываний блока БКЗ его работой управляет блок защитного отключения аппарата защиты. Замыкающий контакт К6 исполнительного реле защиты этого блока включен между зажимами «1» и 92


«2» релейного блока РБ, а выходы усилителей блоков «А»; «В»; «С» зашунтированы контактами реле К6. Поэтому защитная функция блока БКЗ отрабатывается в случае срабатывания основной защиты – выявления утечки тока на землю и формирования команды на защитное отключение силового коммутационного аппарата сети. Обмотки исполнительных реле К4; К5; К6 в релейном блоке РБ подключены так, что замыкание контактов реле К1 в цепи любого из них приведёт к одновременному размыканию цепи питания обмоток двух других реле. Этим обеспечивается защита от короткого замыкания в случае сбоя в работе БКЗ и одновременного включения реле К1 в нескольких измерительных блоках. Принцип закорачивания повреждённой фазы на землю реализован в аппаратах РУ−1140, АЗУР-4. 2.5.4 Применение микропроцессорной схемотехники как средство расширения функциональных свойств устройств защиты от утечек тока на землю Важнейшими показателями работы устройств защиты от утечек тока на землю является соблюдение высокой точности измерения тока и быстродействия защитного обесточивания цепи утечки на землю. Не менее важны – обеспечение самоконтроля схемы устройства защиты, а также функция накопления и передачи информации о состоянии изоляции контролируемой сети и параметрах её защитного обесточивания (как реакции на снижение сопротивления между фазой и контуром „земля”). Этим требованиям соответствуют схемы аппаратов АЗУР, в частности: АЗУР-1МК (для сетей напряжением 380/660 В); АЗУР-4МК (для сетей напряжением 660/1140 В) на основе применения микроконтроллеров (рис. 2.31, рис. 2.32, приложение 15) [48]. Рассмотрим особенности усовершенствования схемы устройства защиты от утечек тока на землю на примере аппарата АЗУР-4МК (область применения – трёхфазные сети с изолированной нейтралью). Выполненная на основе применения микроконтроллера схема отличается дополнительными свойствами в сравнении с предыдущими разработками аналогичного назначения, а именно: автоматическая адаптация к напряжению сети и автоматический выбор уставок срабатывания без участия оператора;

93


1 Рисунок 2.31 – Аппарат АЗУР-4МК (1) с информационным блоком (2)

2

самоконтроль состояния элементов и самодиагностика состояния схемы со светодиодной индикацией рабочего состояния аппарата; поддержание параметров электробезопасности в участковой сети при ёмкости изоляции до 2,0 мкФ/фазу; регистрацию и хранение результатов проверки и срабатываний в аварийных случаях (функция „чёрный ящик”); цифровую индикацию и отображение на жидкокристаллическом индикаторе в реальном времени состояния аппарата, величины контролируемого сопротивления утечки, напряжения сети, даты и времени, величины сопротивления утечки, при котором произошло защитное отключение сети, индикация повреждённой (зашунтированной) фазы; интеграцию в нижний уровень АСУТП (в т.ч., совместно с унифицированной телекоммуникационной системой диспетчерского контроля и автоматизированного управления аэрогазовой средой, машинами и технологическими комплексами шахты (УТАС); передачу диспетчеру данных в режиме реального времени о состоянии аппарата, сети, о проверках и аварийных отключениях;

94


95

Рисунок 2.32 – Принципиальная схема аппарата АЗУР-4МК


возможность проверки времени срабатывания аппарата совместно с автоматическим выключателем в условиях шахты без применения дополнительных устройств контроля времени; возможность дистанционной проверки срабатывания. Функционально схема аппарата защиты состоит из устройства контроля сопротивления изоляции сети, устройства выявления, выбора и шунтирования повреждённой фазы и устройства регистрации, отображения, хранения и передачи данных. Функционирование схемы аппарата АЗУР-4МК состоит в следующем (рис. 2.32). При наличии напряжения электропитания измерительный ток проходит через резисторы R7, R8, R9, R10 и RCфильтры, а после обработки поступает на вход микроконтроллера DD1, где измеряется. Этим обеспечивается предварительный контроль сопротивления изоляции. В случае, если сопротивления изоляции фаз сети превышают минимальную нормируемую величину, микроконтроллером отпирается транзистор VТ5, управляющий микросхемой DА4, в результате чего реле К9 взводится и позволяет включение силового коммутационного аппарата, подающего напряжение в участковую сеть, обеспечивая этим функциональный самоконтроль элементов схемы. Микроконтроллер непрерывно контролирует состояние цепи измерительного тока – резисторы R4, R5, R6 и трансформатор ТV1 после подачи на них напряжения сети. Одновременно, микроконтроллер выполняет самотестирование элементов схемы, в случае отказа которых исполнительное реле будет блокировать процесс включения силового коммутационного аппарата. После подачи напряжения сети на аппарат защиты измеряется его величина на протяжении 5 периодов, выбирается уставка срабатывания аппарата и контролируется состояние цепи измерительного тока и напряжения. Измерительный ток протекает от VD19 через килоомметр (выводы Х1:9-Х1:1), заземлитель, сопротивление изоляции сети (утечки), резисторы R4, R5, R6, трансформатор ТV1, резисторы R9, R10, RC-фильтры обеспечения помехоустойчивости, измерительный вход микроконтроллера DD1. При отсутствии опасной проводимости в цепи утечки тока на землю транзисторы VT8 и VT9 работают в ключевых режимах переключений, а реле К9 при этом включено. Нормируемые сопротивления срабатывания: при симметричной трёхфазной утечке в сети 660 В – 30 кОм/фазу; в сети 1140 В – 96


60 кОм/фазу; при однофазной утечке в сети 660 В – 20 кОм; в сети 1140 В – 50 кОм. При снижении сопротивления изоляции ниже нормируемого уровня (и соответствующем увеличении измерительного тока) микроконтроллер DD1 запирает транзистор VT5, реле К9 отключается и этим создаёт команду на отключение силового коммутационного аппарата. После этого аппарат защиты снова переходит в режим предварительного контроля сопротивления изоляции отключенной сети. Наряду с контролем величины измерительного тока и состояния цепи его протекания микроконтроллер DD1 в то же время непрерывно контролирует наличие и величину напряжения смещения нейтрали сети, фазовые зависимости между фазными напряжениями и напряжением смещения нейтрали. При отклонении их от заданных (эталонных) значений аппарат выдаёт команду на защитное обесточивание сети. Выявление наличия опасной утечки тока на землю производится по совокупности указанных признаков. Кроме этого, защитная функция аппарата состоит в контроле наличия напряжения во всех трёх фазах сети и в выявлении асимметрии напряжения фаз сети. В случае обрыва или асимметрии одной из фаз будет сформирована команда на защитное отключение силового коммутационного аппарата посредством исполнительного реле с соответствующей информацией на жидкокристаллическом индикаторе. После формирования команды на защитное отключение сети аппарат выполняет дополнительную защитную функцию – выявление повреждённой фазы и шунтирование её через малое сопротивление (обеспечивая этим непревышение безопасного количества электричества 50 мА·с в цепи утечки тока на землю). Устройство определения и выбора повреждённой фазы выполнено на базе микроконтроллера DD1 и формирователя входных сигналов (трансформатор ТV1, диоды VD2..VD4 и RСцепи, а именно: R11..R14, R17..R19, R21, С2-С3, С8). Выход микроконтроллера подключен к транзисторам VT1..VT3, нагруженным реле К4..К6. Эти реле управляют исполнительными реле К1..К3, которые обеспечивают шунтирование повреждённой фазы на землю малым сопротивлением R4, R5, R6 (100 Ом). При срабатывании аппарата защиты имеет место запоминание и запись в энергонезависимую память (EEPROM) даты и времени срабатывания, причины срабатывания (аварийное отключение или отключение в 97


процессе проверки) наименование повреждённой фазы. Указанная информация может быть передана диспетчеру по линии связи через информационный блок, в систему нижнего уровня АСУТП по интерфейсу RS485 (протокол Modbus RTU) и УТАС или снята оперативным персоналом при расследовании аварий с применением специального стенда. Для гальванической развязки цепей интерфейса предусматривается встроенный преобразователь напряжения, транзисторные оптроны и барьер искрозащиты. Протокол предназначен для организации обмена данными между аппаратом защиты (АЗУР.4МК) и персональным компьютером (программируемым логическим контроллером сети АСУТП) по интерфейсу RS-485. При этом аппарат защиты поддерживает ограниченный набор команд. При построении информационной сети используется принцип организации „master-slave». В качестве ведущего узла („master”) может использоваться персональный компьютер или логический контроллер, в качестве подчинённого узла („slave”) – аппарат АЗУР.4МК. Инициатором циклов обмена является исключительно ведущий узел. Его запросы – индивидуальные и адресованы конкретному блоку, который осуществляет передачу данных, отвечая на соответствующие запросы. Протокол обмена имеет чётко определённые форматы сообщений. Описывается формат байт и формат кадров. Поддержание форматов обеспечивает правильность и устойчивость функционирования информационной сети. Таким образом, применение микроконтроллера как базового элемента электрической схемы позволило расширить функциональные свойства аппарата защиты от утечек тока на землю. 2.5.5 Устройство и функционирование средств защиты от утечек тока на землю в комбинированных электрических сетях шахтных участков Кроме сетей трёхфазного синусоидального напряжения, защита от утечек тока на землю распространяется и на комбинированные шахтные участковые электросети, в состав которых входят преобразователи частоты (рис. 2.33) [49, 50]. Структура ПЧ представлена выпрямителем 1 (цепь постоянного тока) с ёмкостным фильтром 2 на выходе и автономным инвертором 3 напряжения, которое подаётся на АД потребителя через сглаживающий дроссель 4 (рис. 2.34). 98


ЭДР1 ЭДР2 ЭДП1

АЗ ПЧ

ЭДП2

Рисунок 2.33 – Схема электропитания очистного комбайна з частотноуправляемыми асинхронными двигателями подачи (ЭДП) и неуправляемыми асинхронными двигателями резания (ЭДР): КТПВ – участковая трансформаторная подстанция; АВ – автоматический выключатель; ПВ – взрывозащищённый магнитный пускатель; С – ёмкость изоляции кабеля; АЗ – аппарат защиты от утечек тока на землю; ПЧ - преобразователь частоты

СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

ЦЕПЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рисунок 2.34 – Блочно-структурная схема преобразователя частоты ПЧЭШ-60 очистного комбайна и диаграммы напряжения соответствующих функциональных блоков

В процессе формирования трёхфазной системы выходных напряжений преобразователя применяется принцип широтноимпульсной модуляции, что обусловливает наличие прямоугольных 99


импульсов в каждой полуволне фазного напряжения преобразователя (рис. 2.35). Эта прямоугольность импульсов выходного напряжения инвертора обусловливает наличие в них высокочастотных гармонических составляющих (рис. 2.36), величина и уровень частоты которых находятся в зависимости от заданной частоты выходного напряжения ПЧ.

Рисунок 2.35 – Диаграммы фазного напряжения при реализации синусоидальной широтно-импульсной модуляции выходного напряжения ПЧ

Рисунок 2.36 – Спектр выходного напряжения инвертора в относительных единицах Результаты получены в УкрНИИВЭ Іут Іут

0

0

t, ms

t, ms

Рисунок 2.37 – Осцилограммы тока утечки на землю в участковой сети с преобразователем частоты при частоте его выходного напряжения 5 Гц (а) и 70 Гц (б) [49] 100


Наличие совокупности высокочастотных составляющих в спектре выходных напряжений инвертора обусловливает существенное уменьшение ёмкостного сопротивления изоляции сети токам этих частот, создаёт дополнительную опасность электропоражения и требует применения специальных защитных мер (рис. 2.37) [49; 51-53]. Проблема состоит ещё и в том, что при возникновении утечки тока на землю в цепи постоянного тока между сетью и землёй возникает дополнительный источник постоянного напряжения, ток которого Iут2 может значительно превышать величину оперативного тока Iоп аппарата защиты (АЗ) и этим блокировать его работу (рис.2.38). Поэтому в шахтных комбинированных электросетях защита от утечек тока на землю осуществляется специальными защитными системами, к которым относится аппаратура АЗУР-4ПП (применяется в электросетях напряжением 1140 В, включительно) [49].

M

УВПФ

Rут1

Rут2 Іут2

Іут1

АЗ

Рисунок 2.38 – Схема формирования воздействующих факторов со стороны преобразователя частоты (ПЧ) в комбинированной электросети участка шахты на работу аппарата защиты (АЗ) от утечек тока на землю: УВПФ – устройство выбора повреждённой фазы; ФП – фильтр присоединения; М – асинхронный двигатель потребителя; Іоп – оперативний ток АЗ; І ут – ток утечки на землю; Rут – сопротивление утечки на землю; Rш – шунтирующее сопротивление АЗ

Аппаратура АЗУР-4ПП представляет собой систему комплексной защиты от утечек тока на землю в комбинированной шахтной 101


участковой электросети, которая одновременно воздействует на автоматический выключатель участковой трансформаторной подстанции и на преобразователь частоты, и отключает кабельную линию, отходящую от ПЧ (при вынесенном варианте его размещения). Функциональные взаимосвязи этой системы иллюстрируются её блочноструктурной схемой (рис. 2.39).

Рисунок 2.39 – Блочно-структурная схема системы АЗУР-4ПП комплексной защиты от утечек тока на землю в сети с преобразователем частоты в цепи электропитания асинхронного двигателя горной машины (разработка УкрНИИВЭ): 1 – блок контроля сопротивления изоляции сети; 2- блок компенсации ёмкостных составляющих тока утечки на землю; 3 – блок защитного заземления фазы с повреждённой изоляцией; 4 – защитный коммутационный аппарат; 5 – трансформатор участковой подстанции; 6 – силовая полупроводниковая схема ПЧ; 7 – коммутационный аппарат; 8 – блок принудительного отключения; 9 – короткозамыкатель; 10 – блок контроля сопротивления цепи постоянного тока

В случае возникновения опасной утечки тока на землю блок 1 срабатывает и подаёт команды на отключение коммутационного аппарата 4 и на срабатывание блока 8 принудительного отключения силовой полупроводниковой схемы ПЧ (6). При этом защитную функцию продолжит выполнять блок 2 компенсации ёмкостных токов утечки, а блок 3 выберет повреждённую фазу и автоматически подключит её на землю через резистор малого сопротивления. Блок 8 формирует команду на отключение коммутационного аппарата 7 при возникновении тока утечки после силовых полупроводниковых элементов ПЧ. В этом случае коммутационный аппарат 7 своим контактом включает короткозамыкатель 9, который импульсно, на время до 102


1с замыкает между собой три фазы на выходе ПЧ, чем прекращает действие обратной ЭДС асинхронного двигателя горной машины. Участковая сеть делится на две цепи, блок 3 при этом не срабатывает, а блок 2 функционирует в штатном режиме, поддерживая безопасность эксплуатации участковой сети при возникновении указанного аварийного режима. С целью устранения влияний цепи постоянного тока на работу защиты при возникновении в ней опасного тока утечки из-за появления напряжения между фазой сети и землёй, направленном навстречу измерительному напряжению аппаратуры защиты предназначен блок 10 контроля сопротивления изоляции цепи постоянного тока, который при уменьшении её сопротивления ниже допустимого уровня отключает и блокирует коммутационный аппарат 7. Таким образом, современные шахтные участковые сети всех уровней номинального напряжения защищены средствами защиты от утечек тока на землю, действие которых распространяется на отделение от сети энергетических потоков, исходящих от КТП и сопровождается компенсацией (автокомпенсацией) ёмкостной составляющей сопротивления изоляции сети и закорачиванием повреждённой фазы (в сети напряжения 1140 В). Однако, при отключении силовых присоединений от источника питания не прекращается ток в цепи утечки на землю, поскольку остаётся воздействие со стороны обратных ЭДС асинхронных двигателей потребителей, продолжительность которых обусловлена постоянной времени соответствующих электрических машин, находящихся в состоянии свободного выбега после защитного отключения сети. автоматического селективного контроля 2.5.6 Принцип параметров изоляции шахтных высоковольтных сетей В соответствии с действующими отраслевыми нормативными документами, высоковольтные кабельные сети шахты (в частности, сети напряжения 6 кВ) в подземных выработках должны быть оборудованы защитой от утечек тока на землю мгновенного действия. Срабатывание защиты должно осуществляться при снижении активного сопротивления изоляции сети 6 кВ до 116 кОм [18]. Однако, отсутствие селективности действия ранее разработанных для этих условий средств защиты существенно ограничило их область применения и обусловило поиск альтернативных технических решений, направлен103


ных на реализацию принципа автоматического селективного контроля параметров изоляции шахтных высоковольтных сетей. Этот принцип может быть реализован на основе применения непрерывного измерения величин составляющих сопротивления изоляции сети относительно земли под рабочим напряжением путём наложения на сеть оперативных токов непромышленной частоты, в частности, f1=100 Гц и f2=200 Гц (рис. 2.40) [54]. Устройство содержит два источника оперативного тока І1 и І2 разной частоты (f1 и f2), устройства 1 определения и обработки оперативных токов в каждом силовом присоединении и устройство 2 определения и обработки оперативного напряжения. Зафиксированные с заданной скважностью сканирования параметры оперативных сигналов в цифровом виде подаются на входы микроконтроллера (МК) для вычисления и передачи по заданному адресу непрерывно или регулярно обновляемых значений параметров изоляции.

І1

І2

ІА1 ІВ1

ІС1

Івит А1

ІА2 ІВ2 ІС2

Івит А2

Рисунок 2.40 – Схема, поясняющая принцип непрерывного селективного контроля параметров изоляции высоковольтной распределительной сети [54]

104


Метод одновременного наложения на сеть двух оперативных сигналов разной частоты позволяет с высокой точностью вычислить величину активного сопротивления R и ёмкости C изоляции относительно земли трёх фаз сети или её соответствующего контролируемого участка [54]:

R =U U 1

C

2

1 = U1 U 2

f 22 − f12 U 22 I12 f 22 − U 12 I 22 f12 U 22 I12 − U 12 I 22 ( f12 − f 22 )

,

;

(2.12)

(2.13)

где U1; I1; f1; U2; I2; f2 – напряжение, ток и частота, соответственно, первого и второго оперативного источника. При обработке сигналов, поступающих от датчика тока и напряжения предполагаются следующие операции: - входные аналоговые сигналы преобразовываются в цифровые средствами АЦП; - средствами цифровой фильтрации из входных сигналов выделяются сигналы оперативных частот; - сигналы оперативных частот измеряются, и их значения вводятся в вычислительный модуль системы. Таким образом, с учётом функции сканирования электрических параметров оперативных частот (при применении контроллеров; микро-ЭВМ) достигаются: оперативная оценка уровня активного и ёмкостного сопротивления изоляции как всей сети, так и отдельных её присоединении; избирательная сигнализация или защита от замыканий и утечек тока на землю в системах независимо от конфигурации и режима нейтрали сети.

105


2.6 Средства автоматического блокирования включения коммутационного аппарата при повреждении изоляции отходящего кабеля Подача напряжения сети на кабель силового присоединения при повреждении его изоляции несёт в себе угрозу создания состояния междуфазного короткого замыкания и открытого воспламенения в месте повреждения. Поэтому обязательной является функция блокировки включения коммутационного аппарата при повреждении изоляции отходящего кабеля. Реализация этой функции поясняется схемой блокировочного реле утечки БРУ (рис. 2.41) [16]. TV1

K2

VC1 1

KM2

M1 VD1

Рисунок 2.41 – Схема блокировочного реле утечки (типа БРУ)

Схема БРУ представляет собой цепь присоединения источника постоянного тока (выпрямитель VC1) между фазой сети на выходе силового коммутационного аппарата и контуром «земля». Функционирование БРУ происходит при условии, когда контактор коммутационного аппарата отключен (его вспомогательный контакт КМ2 – замкнут). В этом случае при возникновении цепи утечки на землю в силовом присоединении на выходе коммутационного аппарата создаётся контур протекания оперативного тока БРУ с зажима «+» выпрямителя VC1 к зажиму «-». В случае превышения этим током величины тока срабатывания реле К2, последнее включается и своим контактом разрывает цепь включения контактора, переключая выход источника питания этой цепи на питание светового индикатора. Этим предотвращается возможность включения силового коммутационного аппарата (пускателя) от кнопочного поста и других технических средств управления. Уставка срабатывания БРУ в сети напряжения 660 В – сопротивление изоляции отходящего присоединения – 30 кОм. 106


Настройки блока

В случае, если сопротивление изоляции превышает указанную уставку, БРУ не срабатывает и этим позволяет включить контактор коммутационного аппарата. В начале коммутации контактора БРУ отключается от работы размыканием вспомогательного контакта КМ2 контактора пускателя. Этим обеспечивается защита схемы БРУ от воздействия напряжения сети. В дальнейшем контроль состояния изоляции осуществляется участковым аппаратом защиты от утечек тока на землю.

Предв. уставка Аварийная уставка

К цепям сигнализации и управления

Рисунок 2.42 – Схема блока контроля изоляции типа БКИ

Усовершенствованным средством реализации указанной функции является блок контроля изоляции (БКИ), входящий в состав электронной схемы управления шахтного пускателя, станции управления, других коммутационных аппаратов (рис. 2. 42) [16]. Вводы (10) и (20) этого блока предназначены для подключения, соответственно, к фазе кабеля на выходе пускателя и к зажиму заземления. Между вводами (10) и (20) присоединяется, таким образом, контролируемое сопротивление изоляции кабеля, отходящего от пускателя. Действие БКИ основано на сопоставлении токов управления составного транзистора VT1, VT2 и коллекторного тока транзистора VT3 (при уменьшении 107


сопротивления изоляции ток через база-эмиттерный переход VT3 снижается, что приводит к отпиранию VT1, VT2 и срабатыванию исполнительного реле К1). Дополнительной функцией БКИ является предупреждающая защита (положение тумблера SA – «Предупрежд. уставка»). В этом случае конденсатор С7 подключается между базой и эмиттером (через резистор R6) транзистора VT3 и создаёт при отпирании VT1, VT2 эффект последовательного саморазряда/заряда, соответственно влияя на проводящее состояние транзисторов VT1, VT2. Исполнительное реле K1.1 периодически включается (включая световую индикацию) и отключается, восстанавливая возможность включения контактора пускателя. Уставками срабатывания предупреждающей защиты являются следующие сопротивления изоляции: в сети 660 В - Rиз = 100 кОм; в сети 1140 В – Rиз = 200 кОм. Таким образом, относительно реакции на состояние изоляции шахтной участковой сети предусмотрены следующие функции: блокирование включения силового коммутационного аппарата при повреждении изоляции отходящего кабеля (присоединения) выполняется блокировочным реле утечки или блоком контроля изоляции (БРУ или БКИ), установленным непосредственно в силовом коммутационном аппарате и функционирующем при отключенном состоянии исполнительного коммутационного устройства (например, контактора) этого аппарата. Функция воздействия БРУ или БКИ состоит в противодействии включению силового коммутационного аппарата в случае, если сопротивление изоляции силового присоединения окажется меньшим предельно допустимого уровня в то время, как защита от утечек тока на землю отрабатывает функцию контроля величины сопротивления изоляции электротехнических объектов сети, находящихся под напряжением. аппарат защиты от утечек тока на землю располагается в распределительном устройстве низкого напряжения шахтной комплектной участковой трансформаторной подстанции, контролирует сопротивление изоляции тех элементов сети, которые находятся под напряжением и воздействует на автоматический выключатель подстанции, отключая его, если сопротивление изоляции сети уменьшилось до предельно допустимого уровня.

108


2.7 Защитное отключение электроустановок при исчезновении напряжения в сети Защитная функция предполагает автоматическое разъединение контактных групп силовых коммутационных устройств при исчезновении напряжения в электрической сети (либо снижении напряжения до недопустимо низкого уровня) и невозможность самопроизвольного перемещения подвижных контактов коммутационного аппарата к неподвижным при восстановлении напряжения в сети. Эта функция отрабатывается средствами защиты минимального напряжения (нулевой защиты) электроустановок. Действие защиты направлено на обеспечение безопасности эксплуатации электроустановок и распространяется на силовые коммутационные аппараты, в частности, автоматические выключатели, магнитные пускатели. 2

3 1

5

Рисунок 2.43 – Устройство нулевого электромагнитного расцепителя автоматического выключателя А37ХХ: 1 – якорь; 2 – пружина; 3 – ярмо электромагнита; 4 – катушка; 5 – сердечник

4

В автоматическом выключателе функцию защиты выполняет электромагнитный нулевой расцепитель (рис. 2.43) [55, 56]. Катушка электромагнита этого расцепителя подключена к фазам контролируемой электросети. При наличии напряжения в сети якорь электромагнита притянут к сердечнику, не воздействует на подвижные элементы механизма свободного расцепления и не препятствует их перемещению. В случае исчезновения напряжения в сети якорь 1 электромагнита отклоняется пружиной 2, создавая воздействие на элементы механизма свободного расцепления автоматического выключателя. Последний в этом случае отключается, а отклонённый якорь 1 нулевого расцепителя будет препятствовать движению его подвижных контактов при попытке включения выключателя вручную. Сама конструк109


ция механизма свободного расцепления (см. рис. 1.8) не позволяет включить автоматический выключатель иначе, чем включения вручную. Поэтому при восстановлении напряжения в сети силовая контактная группа автоматического выключателя будет оставаться разъединённой. Функция нулевой защиты магнитного пускателя отрабатывается устройством его контактора и цепей дистанционного управления. Обесточивание сети приведёт к отключению контактора. Условием его включения является наличие тока достаточной величины в обмотке катушки электромагнита, что обеспечивается в случае включенного состояния реле К в цепи дистанционного управления (рис. 2.44). Отсутствие тока в катушке КМ контактора создаёт отсутствие возможности его самопроизвольного включения при восстановлении напряжения в сети, а включению реле К будет препятствовать разомкнутое состояние кнопки S1 («ПУСК») и разомкнутое состояние вспомогательного контакта КМ1 контактора, обусловленное соответствующим положением якоря электромагнита контактора в отключенном состоянии.

KM1

Рисунок 2.44– Схемы подключения кнопочного поста к цепям дистанционного управления силового коммутационного аппарата (магнитного пускателя)

2.8 Защита электродвигателей от неполнофазного электропитания при применении тиристорных регуляторов напряжения Неполнофазное электропитание асинхронного двигателя может иметь место при отсутствии электрического соединения между подвижным и неподвижным контактами фазы (полюса) контактора пускателя вследствие механического повреждения контактов или недостаточного их прижатия. При двухфазном электропитании асинхронный двигатель не создаёт вращательный момент, его ротор неподвижен, и двигатель потребляет пусковой (повышенный) ток І’1, что соз110


даёт угрозу перегрева и дальнейшего повреждения изоляции его обмоток [57]:

U

'

I 1' = I 0 +

'

( R1 +

R) s 2

2

(2.14)

ф

+ (X1+

X ) '

2

2

где R1; X1 – активное и индуктивное сопротивления статора; R’2 X’2 приведенные к статору активное и индуктивное сопротивления ротора; Uф – фазное напряжение сети; І’0 – ток цепи намагничивания; s – скольжение ротора относительно угловой скорости поля статора (при неподвижном роторе s =1):

s = (ω0 – ω)/ω0 ;

(2.15)

где ω0 – синхронная угловая скорость вращения ротора двигателя; ω – фактическая угловая скорость вращения ротора двигателя. В этом случае защита от неполнофазного электропитания асинхронного двигателя может быть выполнена на основе контроля наличия тока в каждой фазе кабеля его электропитания. Применение тиристорных регуляторов напряжения (ТРН) для реализации плавного пуска асинхронных двигателей связано со спецификой возникновения и протекания ненормальных режимов работы системы ТРН-АД, которые должны выявляться и требуют немедленного отключения двигателя. К таким режимам относится неполнофазное электропитание АД, обусловленное неотпиранием одного из тиристоров ТРН. Учитывая вероятность возникновения такого состояния, оно должно быть рассмотрено. При контакторной коммутации неполнофазный режим характеризуется отсутствием присоединения к питающей сети одной фазы двигателя. В связи с этим не создаётся вращающий момент, ротор – неподвижен, две фазы двигателя обтекаются пусковым током, что ведёт к быстрому (несколько секунд) перегреву машины. В отличие от этого, неполнофазный режим в случае неотпирания одного из тиристоров ТРН характеризуется сменяющими друг друга с частотой сети состояниями трёхфазного и двухфазного электропитания двигателя. Наибольшую опасность такой режим представляет на этапе пуска. В этом случае двигатель с частотой сети переключается с двигательного режима (точка «А») на режим динамического торможения, на уровень тормозного момента, близкий к кри111


тическому (точка «В»), поскольку за половину периода трёхфазного электропитания АД не успевает выйти на достаточно высокую угловую скорость ω (рис. 2.45; рис. 2.46) [58]. uA

uсети

uвых

u’A

uB

uC

ω

ωt u’C

u’B

ωt

а

t1

t2 t 3

3-фазное питание

2-фазное питание

А

В

t4

б

М

0

Рисунок 2.45 – Диаграммы формирования фазных напряжений выхода ТРН при невключении одного з его тиристоров (а) и механические характеристики асинхронного двигателя (б) в процессе его разгона при невключении одного из тиристоров ТРН

ω * 60 с-1 150 0,02 c 100 50 0

t 1,167 с-1

-50

Рисунок 2.46 – Осциллограмма угловой скорости ротора асинхронного двигателя КОФ-32 в процессе пуска при невключении одного из тиристоров трёхфазного тиристорного регулятора напряжения

112


Контроль состояния силовых тиристоров VS1; VS2 фазы ТРН может быть осуществлён подключением параллельно к ним цепей с элементами реагирования (К1; К2) через дополнительные тиристоры VS3; VS4 (рис. 2.47) [58]. Схема предполагает одновременное включение тиристоров VS1; VS3 от импульса управления Uу1 и тиристоров VS2; VS4 от импульса управления Uу2. Таким образом, силовой тиристор ТРН в проводящем соC1 R1 Uу2 стоянии шунтирует схему соответствующей цепи контроK1 VS2 VS4 ля. В случае невключения сиVS1 лового тиристора при наличии VS3 K2 импульса управления дополUу1 нительный тиристор VS3 или R2 C2 VS4 включит соответствуюРисунок 2.47 – Схема контроля щую цепь контроля, что присостояний силовых тиристоров VS1 и VS2 в фазе ТРН ведёт к срабатыванию реагирующего элемента. Неполнофазное электропитание асинхронного двигателя при применении тиристорного коммутационного аппарата (в частности, трёхфазного регулятора напряжения промышленной частоты) может иметь место в случае отказа (сбоя) системы управления тиристорами. Принцип выявления отказа системы управления может быть основан на контроле продолжительности интервалов совпадения уровней выходных импульсов системы управления (рис. 2.48) [59]. На входы элементов «Исключающее ИЛИ» D1 - D6 подаются выходные импульсы системы управления. При нормальной её роботе продолжительность каждого из этих импульсов составляет π рад. (180 эл. град.), а фазовое смещение между импульсами двух смежных каналов составляет π/3 рад. (60 эл. град.). Поэтому на выходах каждого элемента «Исключающее ИЛИ» D1-D6 формируются импульсы продолжительностью π/3 рад. с интервалом в 2π/3 рад. Поэтому логическое суммирование с последующим инвертированием выходных импульсов элементов D1; D3; D5, или D2; D4; D6 (что выполняется элементами «ИЛИ-НЕ», соответственно, D7 и D8) ведёт к поддержанию нулевого уровня напряжения: на выходах элементов D7; D8, и на выходе элемента «ИЛИ» D9. Отсутствие импульса на любом выходе системы управления (например, на выходе 2) приведёт к изменению продолжительности выходного импульса соответствующего элемента «Исключающее ИЛИ» и к появлению на выходах элементов D7, D8, 113


D9 импульсов уровня логической «единицы» (в табл. 2.1 - обозначены знаком «Х»). CИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ

1

=1 >1

2

D1 =1

>1 &

D7 D9

3

DL1

D2

Uвых

D10

=1 DL2

4

D3 =1

5

D4 =1

6

D5

>1

=1 D8 D6

Рисунок 2.48 – Схема устройства выявления отказа системи управления тиристорным регулятором напряжения

Устройство работоспособно и при полном отсутствии всех выходных импульсов системны управления или при появлении единичных уровней сразу на всех её выходах. В этом случае на выходах элементов «Исключающее ИЛИ» D1- D6 устанавливаются «нули», логическое сложение которых с последующим инвертированием приведёт к появлению логических «единиц» на выходах элементов D7; D8; D9. Блок временнóй задержки DL2 служит для исключения ложного срабатывания защиты при включении системы управления, т.к. в этом случае вначале формируется импульс только на одном из шести выходных каналов системы, что приведёт к появлению «единиц» на 114


выходах элементов D7; D8 на интервале Δt<2 π рад. от момента начала работы системы управления. В процессе изменения углов управления тиристорами (динамический режим работы регулятора напряжения) продолжительность выходных импульсов системы управления несколько изменяется, превышая или не достигая π рад. Это может привести к появлению коротких импульсов на выходах элементов D7; D8; D9. Блок временнóй задержки DL1 препятствует прохождению импульсов с выхода D9, если их продолжительность не превышает π/3 рад. Этим исключается ложное срабатывание защиты в процессе изменения угла отпирания тиристоров ТРН. Таблица 2.1 Диаграмма работы устройства выявления отказа системы управления тиристорным регулятором напряжения Выходы СУ Выходы элементов № интервала времени 1 2 3 4 5 6 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D9 Отсутствие отказа системы управления (СУ) 1 Х Х Х Х Х 2 Х Х Х Х Х 3 Х Х Х Х Х 4 Х Х Х Х Х 5 Х Х Х Х Х 6 Х Х Х Х Х Наличие отказа системы управления (СУ) 1 Х Х Х Х Х 2 Х Х Х Х Х 3 Х Х Х Х Х 4 Х Х Х Х Х 5 Х Х Х Х Х 6 Х Х Х Х 2.9 Системная автоматика шахтных высоковольтных сетей 2.9.1 Автоматическое повторное включение Опыт эксплуатации высоковольтных линий электропередач показывает, что, как правило, короткие замыкания в них обусловлены схлёстываним проводов при сильном ветре, снижением сопротивле115


ния поверхности изоляторов во время дождя, попаданием ветвей деревьев между проводами во время сильного ветра и т.п. Такие замыкания являются неустойчивыми и при достаточно быстром отключении самоустраняются. С целью повышения эффективности эксплуатации воздушных линий электропередач целесообразно применение устройств автоматического повторного включения (АПВ). Основные требованиями к АПВ - следующие: - АПВ должно приводиться в действие при аварийном отключении выключателя; - АПВ не должно приводиться в действие при отключении выключателя вручную, дистанционно или по каналам телеуправления, а также при отключении релейной защитой сразу после его включения персоналом; - АПВ должно обеспечивать определённую кратность срабатывания, задаваемую персоналом; - в устройстве АПВ должен быть предусмотрен возврат схемы в исходное состояние после завершения повторного алгоритма АПВ. Общий принцип построения АПВ состоит в реализации алгоритма, в соответствии с которым сигналом на срабатывание защиты (защитное отключение сети ) даётся разрешение на работу таймера (реле времени), который через заданный временнóй промежуток формирует команду на повторное включение высоковольтного выключателя. При этом, схема конкретного устройства АПВ должна учитывать особенности устройства конкретного привода высоковольтного выключателя (технического устройства перемещения подвижных контактов высоковольтного выключателя в процессе их коммутации). Это может быть пружинный, моторно-пружинный, электромагнитный привод и т.п. В схеме АПВ должен быть предусмотрен счётчик повторных включений высоковольтного выключателя и устройство прекращения функции АПВ при достижении количеством повторных автоматических включений заданного значения. Пример функциональной схемы однократного АПВ представлен на рис. 2.49 [60]. Схема устройства АПВ содержит два таймера КТ1 и КТ2, логический элемент «ИЛИ» D1, пороговый элемент KV1, усилитель А1, исполнительный орган KL1. Входом и выходом устройство присоединено к выключателю Q1 (выключатель с приводом). Интервалы времени, на которые настроены таймеры КТ1 и КТ2 отличаются один от другого. В частности, таймеры устройства АПВ-2П [60] могут быть настроены на такие временные параметры срабатывания: 116


- таймер КТ1 – от 0,6 ÷ 1 до 5 ÷ 7 с; - таймер КТ2 – от 1,2÷2 до 20 ÷ 28 с. При срабатывании первый таймер (КТ1) не возвращается автоматически в исходное состояние, в то время, как второй таймер (КТ2) после первого АПВ успевает автоматически вернуться в исходное состояние. KT1 KT2

1 KV1

A1

Q1

KL1

D1

Рисунок 2.49 – Функциональная схема устройства АПВ-2П

В исходном состоянии, когда выключатель Q1 отключен, на входные элементы КТ1 и КТ2 устройства АПВ сигнал не поступает, и на выходе устройства (элемент KL1) сигнал отсутствует. При отключении выключателя линии электропередач, например, при срабатывании релейной защиты, замыкается его контакт, и два таймера КТ1 и КТ2 запускаются в работу. Начинается отсчёт времени их срабатывания. По окончании установленного времени первого цикла АПВ срабатывает таймер КТ1. Его выходной сигнал через элемент «ИЛИ» D1, пороговый элемент KV1 подаётся на усилитель А1, с которого усиленный сигнал поступает на исполнительный орган (выходное реле) KL1. При срабатывании последнего сигнал подаётся на катушку (электромагнит) включения высоковольтного выключателя Q1. Этот выключатель повторно включает напряжение высоковольтной линии электропередач. В случае повторного отключения линии электропередач выключателем Q1 т.е., неуспешного первого цикла АПВ начинается отсчёт времени второго цикла АПВ. При этом вводится в работу только таймер КТ2, т.к. таймер КТ1 настраивается на выполнение только первого цикла АПВ. По окончании второго цикла АПВ таймер КТ2 срабатывает и обеспечивает срабатывание выходного органа KL1, который

117


снова воздействует на электромагнит включения высоковольтного выключателя Q1 сети. 2.9.2 Автоматическое включение резерва Автоматическое включение резерва (АВР) применяют для потребителей первой категории с целью обеспечения бесперебойности их электроснабжения. Объектом реализации функции АВР в шахте является главная поверхностная подстанция (ГПП) и центральная подземная подстанция (ЦПП) (см. рис. 1.1). Основными требованиями относительно АВР являются: - АВР должно приводиться в действие при исчезновении напряжения на шинах независимо от причины исчезновения (при аварии, ошибочном отключении рабочего ввода); - резервный (по отношению к обесточенному) источник электропитания должен подключаться к обесточенной шине линии только после отключения рабочего ввода; - действие АВР должно быть однократным. Не допускаются многократные подключения резервного источника электропитания на устойчивое короткое замыкание. Устройство АВР устанавливается на секционном высоковольтном выключателе. На рис. 2.50 представлена схема АВР трансформатора з воздействием на секционный автоматический выключатель [61]. В нормальном режиме (до цикла АВР) каждый трансформатор обеспечивает нагрузку своих потребителей, присоединённых в секции. Секционный выключатель К5 – нормально отключен. В аварийном режиме работы оба трансформатора взаимно резервируют друг друга. При отключении одного из трансформаторов (например, ТV1) вспомогательные контакты 2 выключателя K2 разрывают цепь реле ПВ1. Контакты 1 замыкаются и подают напряжение на реле П1. Это реле срабатывает и своими контактами замыкает цепь питания катушек включения высоковольтных выключателей K3; K4; K5. Если перед этим трансформатор ТV2 уже был включен, то включается только секционный выключатель K5. При отключенном трансформаторе ТV2 будут включаться три выключателя. Для устранения перегрузки аккумуляторной батареи (задействованной как источник питания катушек включения выключателей) в случае одновременного включения трёх выключателей должна быть предусмотрена блокировка, например, с помощью вспомогательных контактов выключателя К3 (вы118


ключатель К4 начинает включаться только после того, как процесс включения K3 закончится).

K1

K3

TV2

TV1

K2

K4 K5

Рисунок 2.50 – Схема АВР трансформатора с воздействием на секционный выключатель

В случае срабатывания АВР восстанавливается подача напряжения на первую секцию от трансформатора ТV2. Аналогично, трансформатор ТV2 резервируется трансформатором ТV1. Примеры решения задач Задача 1. Рассчитать и выбрать уставки максимальной токовой защиты (МТЗ) типа ПМЗ для группы магнитных пускателей и группового АВ (АВ-320ДО) участка, электропитание которого осуществляется от КТП типа КТПВ-630 по магистральному кабелю ЭВБВ 3×120 длиной 50 м, напряжением 660 В. Параметры потребителей сведены в таблицу: 119


Параметры Pн, кВт cosφ Iп/Iн Iн контактора Марка кабеля Длина, м

Потребитель 2 110 0,85 7,5 160 КГЭШ 3×35 55

1 110 0,85 7,5 160 КГЭШ 3×35 250

3 55 0,87 6 80 КГЭШ 3×16 55

Решение. Для выбора уставки МТЗ необходимо рассчитать номинальный и пусковой токи каждого потребителя: - 1-й и 2-й потребители (учитывая их одинаковые параметры): Pн 110 ⋅103 Iн = = = 116 A 3 ⋅U ⋅ cosϕ 3 ⋅ 660 ⋅ 0,85 I п = I н ⋅ 7,5 = 870 A

- 3-й потребитель: Pн 55 ⋅103 Iн = = = 57 A 3 ⋅U ⋅ cosϕ 3 ⋅ 660 ⋅ 0,87 I п = I н ⋅ 6 = 342 A

Расчёт уставки МТЗ группового АВ:

I уст. р. = 1,2 ⋅ ( I пуск.m + ∑ I н.ост. ) = 1,2 ⋅ (870 + 173) = 1251 А , где І пуск. m – пусковой ток потребителя максимальной мощности; ΣІ н.ост – сумма номинальных токов остальных потребителей. Выбираем уставку №4 – Iуст = 1400А (приложение 8). Расчёт уставок МТЗ потребителей: - 1-й и 2-й потребители (их пусковые токи одинаковы):

120


I уст. р = 1,2 ⋅ I пуск = 1,2 ⋅ 870 = 1044 А Выбираем уставку МТЗ № 9 каждого из 2-х пускателей – Iуст = 1200А. - 3-й потребитель:

I уст. р = 1,2 ⋅ I пуск = 1,2 ⋅ 342 = 411 А Выбираем уставку МТЗ № 8 – Iуст = 440А. Выбранные уставки проверяем по коэффициенту чувствительности (kч) к току к.з.: I к( .2з). kч = ≥ 1,5 I уст Расчёт двухфазного тока к.з. на зажимах двигателей потребителей: I к( .2з). =

0,95 ⋅ U н 2 ⋅ ( Rтр + Rмк + Rгк + Rкон ) 2 + ( X тр + X мк + X гк ) 2

Rтр = 0,00619 Ом ; X тр = 0,02645 Ом (приложение 18).

R мк = R уд ⋅ L = 0,153 ⋅ 0,05 = 0,00765 Ом ;

X мк = X уд ⋅ L = 0,063 ⋅ 0,05 = 0,00315 Ом (приложение 19).

на один коммутационный аппарат, где Rтр; Xтр – активное и индуктивное сопротивления трансформатора подстанции, Ом; Rмк; Xмк – активное и индуктивное сопротивления магистрального кабеля, Ом; Rгк; Xгк – активное и индуктивное сопротивления гибкого кабеля, Ом; Rуд; Xуд – активное и индуктивное удельные сопротивления кабеля, Ом/км; Rгк = 0,005 Ом – активное сопротивление контактного соединения в коммутационном аппарате; L – длина кабеля, км. - 1-й потребитель: Rгк = R уд ⋅ L = 0,539 ⋅ 0,25 = 0,13475 Ом ; X гк = X уд ⋅ L = 0,084 ⋅ 0,25 = 0,021 Ом ; Rкон = 0,005 Ом

121


I к( .2з). =

0,95 ⋅ 660 = 1725 А 2 ⋅ 0,181645

kч =

1825 = 1,52 ≥ 1,5 1200

- 2-й потребитель: Rгк = R уд ⋅ L = 0,539 ⋅ 0,055 = 0,029645 Ом ;

X гк = X уд ⋅ L = 0,084 ⋅ 0,055 = 0,00462 Ом ;

I к( .2з). =

0,95 ⋅ 660 = 3660 А 2 ⋅ 0,085648

kч =

3660 = 3,05 ≥ 1,5 1200

- 3-й потребитель: Rгк = R уд ⋅ L = 1,22 ⋅ 0,055 = 0,0671 Ом ; X гк = X уд ⋅ L = 0,09 ⋅ 0,055 = 0,00495 Ом ;

I к( .2з). =

0,95 ⋅ 660 = 2732 А 2 ⋅ 0,114721

kч =

2732 = 6,21 ≥ 1,5 440

Проверка по коэффициенту чувствительности к току к.з. выполняется, уставки МТЗ выбраны верно. Задача 2. Выполнить проверку кабельной сети по критерию термической стойкости к токам к.з. и проверку коммутационных аппаратов по критерию коммутационной способности при эксплуатации на участке с параметрами: питающая трансформаторная подстанция КТПВ-630, магистральный кабель ЭВБВ3×70 длиной 50 м, автоматический выключатель АВ-320ДО, гибкие кабели КГЭШ. Напряжение сети участка 1140 В. 122


Решение. По критерию термоустойчивости соответствовать следующим условиям: I max =

кабель

должен

( 3) C ⋅ Sк ≥ I К .З . tп

где С – коэффициент, учитывающий теплорассеивающую способность кабелей. Для кабелей марки ЭВБВ С = 105; для гибких кабелей (марки КГЭШ и подобных) С = 101; Sк – сечение рабочей жили кабеля, мм2; tп – приведенное время нагрева кабеля при отключении тока к.з. Для низковольтных автоматических выключателей tп = 0,1 с. Расчёт токов трёхфазного короткого замыкания выполняется в начале кабеля – максимальный ток к.з. В начале магистрального кабеля: I к( 3. з). =

1,05 ⋅ U хх 3 ⋅ ( Rтр + Rкон ) + X тр 2

2

=

1,05 ⋅1200 3 ⋅ (0,01872 + 0,005) + 0,08 2

2

= 8728 А ,

где Rтр; Xтр – активное и индуктивное сопротивления трансформатора подстанции, Ом; Rгк = 0,005 Ом – активное сопротивление соединения в коммутационном аппарате. Максимальный ток магистрального кабеля по критерию термической стойкости: I max =

105 ⋅ 70 = 23242 А ≥ 8728 А 0,1

Таким образом, магистральный кабель сечением 70 мм2 соответствует по критерию термостойкости. Отключающая способность автоматического выключателя трансформаторной подстанции составляет 25000 А, что больше, чем расчётный ток трёхфазного к.з., эта проверка так же выполняется. Ток трёхфазного к.з. в начале гибкого кабеля:

123


I к( 3. з). = =

1,05 ⋅ U хх 3 ⋅ ( Rтр + Rмк + Rкон ) 2 + ( X тр + Х мк ) 2

=

1,05 ⋅1200 3 ⋅ (0,01872 + 0,268 ⋅ 0,05 + 0,001) + (0,08 + 0,065 ⋅ 0,05) 2

2

= 7574 А

где Rмк; Xмк – активное и индуктивное сопротивления магистрального кабеля, Ом. Коммутационная способность автоматического выключателя АВ-320ДО на напряжение 1140 В составляет 10000 А, проверка выполняется. Определяем максимально допустимое сечение силовой жилы гибкого кабеля по критерию термостойкости: t п ⋅ I к( 3. з). 0,1 ⋅ 7574 = = 23 мм 2 S= С 101

Таким образом, гибкие кабели марки КГЭШ сечением силовой жили 25 мм2 (и более) соответствуют по критерию термостойкости току короткого замыкания. Вопросы для самоконтроля 1. В чём состоят принципы выявления междуфазных коротких замыканий в промышленных электроустановках? 2. Каковы устройство и свойства электромагнитных расцепителей максимального тока автоматических выключателей ? 3. В каких точках схемы электроснабжения, с какой целью и как выполняется расчёт токов двухфазного и трёхфазного короткого замыкания? 4. В чём состоят особенности устройства и принципы функционирования средств максимальной токовой защиты с регулированием уставок срабатывания (на примере УМЗ; ПМЗ; БТЗ)? 5. В чём состоит принцип расчёта, выбора и проверки на чувствительность уставок максимальной токовой защиты рудничных силовых коммутационных аппаратов? 124


6. Как можно выявить короткое замыкание путём определения скорости изменения тока сети? Привести примеры. 7. В чём состоит способ ограничения тока короткого замыкания на основе применения гибких экранированных шахтных кабелей с расщеплёнными жилами (на примере применения взрывобезопасного кабеля КГЭШуС-ПБ)? 8. В чём состоит способ ограничения тока короткого замыкания на основе автоматического увеличения индуктивности рабочих фаз сети? Привести примеры реализации этого способа. 9. Раскрыть принципы выявления междуфазных дугообразований и построения средств защиты от дуговых замыканий. 10. Раскрыть назначение и свойства устройств защиты от токовых перегрузок электрооборудования на принципе измерения тока потребителя (на примере устройств РТ-40; ТЗП). 11. Проанализировать принципы выявления однофазного тока утечки на землю, привести примеры технической реализации. 12. В чём состоит принцип работы дифференциальной схемы контроля сопротивления изоляции сети? 13. Раскрыть особенности устройства и принцип действия аппарата защитного отключения высоковольтной шахтной сети АЗО-6. 14. Как реализуется функция выявления состояния утечки тока на землю при использовании принципа сравнения оперативного и эталонного токов (на примере схемы аппарата защиты тип АЗУР)? 15. Как реализуется функция самоконтроля состояния схемы аппаратов защиты от утечек тока землю типа АЗУР? 16. Раскрыть принципы реализации функции автокомпенсации ёмкости изоляции шахтной участковой электросети. 17. Раскрыть назначение и принципы функционирования средств выявления и замыкания на землю фазы участковой сети с повреждённой изоляцией. 18. В чём состоит проблематика обеспечения электробезопасности эксплуатации шахтных участковых комбинированных электросетей с преобразователями частоты?

125


19. Раскрыть назначение, функции и принцип действия аппаратуры АЗУР-4ПП. 20. Каковы назначение и принцип функционирования устройств блокирования включения шахтного силового коммутационного аппарата при повреждении изоляции кабеля силового присоединения? 21. Каковы принципиальные отличия блокировочного реле утечки БРУ (БКИ) и аппарата защиты от утечек тока на землю? 22. В чём состоит и каким образом осуществляется нулевая защита электроустановок шахты? 23. В чём состоят особенности и опасность неполнофазного электропитания асинхронного двигателя, в том числе, при управлении его параметрами от тиристорного регулятора напряжения в случае невключения силового тиристора регулятора? 24. В чём состоят принципы выявления неполнофазного электропитания асинхронного двигателя, в том числе, при управлении его параметрами от тиристорного регулятора напряжения в случае невключения силового тиристора регулятора? 25. Раскрыть назначение, принцип устройства и действия средств АПВ. 26. Раскрыть назначение, принцип устройства и действия средств АВР.

126


РАЗДЕЛ 3 УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДАТЧИКОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК Учебной целью раздела является обретение студентами знаний относительно принципов построения, устройства и особенностей функционирования технических средств выявления физических параметров оборудования рудничных электротехнических комплексов, адаптированных относительно формирования информационных сигналов для устройств автоматической защиты электроустановок от аварийных и опасных состояний. Результатом освоения студентами материала раздела является знание принципов построения и функционирования датчиков физических параметров, которые применяются, либо могут быть применены в структуре средств автоматической защиты рудничных электроустановок от аварийных и опасных состояний. 3.1 Датчики электрического тока Большинство аварийных и ненормальных состояний электрооборудования может быть идентифицировано соответствующим изменением параметров электрического тока в силовых цепях. Этим обусловлена необходимость применения датчиков тока в качестве источников информационных сигналов для дальнейшего использования в средствах автоматической защиты от аварийных и опасных состояний. 3.1.1 Электромагнитные трансформаторы тока Электромагнитные трансформаторы тока предназначены для преобразования переменного тока сети в пропорциональный по величине переменный ток той же частоты с целью использования в устройствах измерения сетевого тока и в устройствах токовой защиты электрооборудования, подключенного к сети. Устройство трансформатора тока приведено на рис. 3.1 [62]. Первичная обмотка 3 выполнена из медного провода большого сечения и предназначена для непосредственного подключения в цепь фазы сети. Она состоит из од127


ного или нескольких витков, которые намотаны на сердечнике 2 (магнитопроводе) и может быть представлена шиной, проходящей через окно тороидального магнитопровода. Вторичный ток і2 трансформатора тока определяется из соотношения витков первичной w1 и вторичной w2 обмоток: і2 = і1 (w1/w2),

(3.1)

где і1 – ток в первичной обмотке (шине). При нагружении вторичной обмотки w2 активным сопротивлением R (рис. 3.2) на нём будет формироваться напряжение U2, пропорциональное току в первичной обмотке (шине): U2 = R і2 = R і1 (w1/w2),

(3.2)

Внешний вид трансформатора токовой защиты серии ТТЗ шахтных силовых коммутационных аппаратов приведен на рис. 3.3. Характеристики трансформаторов тока для установившихся режимов работы определены стандартом МЕК 60044-1 [63], ГОСТ 7746-2001. В технических средствах защиты и автоматики, как правило, используются трансформаторы тока с максимальной полной погрешностью в 5% (5Р) или 10% (10Р) при токе номинальной предельной кратности (табл. 3.1) [64]. Таблица 3.1 Классы точности трансформаторов тока в соответствии со стандартом МЭК 60044-1; ГОСТ 774602001 по- Полная погрешность ε Класс Токовая по- Угловая точности грешность fi грешность δ при при токе номинальной граничной кратности при номиналь- номинальном токе Ιн ном токе Ιн 5Р +1% + 60 минут 5% 10Р +3% 10% Полная погрешность электромагнитного трансформатора тока соответствует нормируемым параметрам в области диапазона его линейной характеристики намагничивания (рис. 3.4). Однако этот диапазон ограничен, т.к. трансформатор тока может находиться в режиме насыщения при существенном увеличении намагничивающего тока. 128


Рисунок 3.1 – Устройство трансформатора тока ТК-20: 1 - клеммник; 2 - сердечник из электротехнической стали; 3 - первичная обмотка; 4 - вторичная обмотка

1

1

W1

2

W2

3

R

4

U2

Рисунок 3.2 – Схема подключения активной нагрузки трансформатора тока

Рисунок 3.3 – Общий вид трансформатора токовой защиты серии ТТЗ шахтных силовых коммутационных аппаратов: 1 – шина токопровода (первичного тока); 2 –выводы вторичной обмотки; 3 – корпус; 4 – болты крепления Напруга насичення

U2 ВАХ традиционного электромагнитного трансформатора тока Рабочая точка трансформатора тока 0

ВАХ катушки Роговского

I Рисунок 3.4 – Вольт-амперные характеристики электромагнитного трансформатора тока и катушки Роговского 129


Насыщение трансформатора тока может быть обусловлено периодической составляющей тока, когда её значение превышает предельную величину. Однако более вероятным является насыщение трансформатора тока из-за наличия апериодической составляющей, когда магнитная индукция значительно увеличивается. Характерные сигналы первичного и вторичного токов при насыщении электромагнитного трансформатора тока приведены на рис. 3.5 [65].

Первичный ток

t Магнитный поток

t

Ток намагничивания

t Вторичный ток

t Рисунок 3.5 – Диаграммы параметров при насыщении электромагнитного трансформатора тока в переходном режиме [64]

Эти свойства могут оказывать влияние на параметры вторичного тока в отдельных режимах работы силового электрооборудования. В частности, переходный процесс при возникновении аварийного состояния в промышленной участковой электросети, как правило, сопровождается возникновением апериодической составляющей тока (тока в первичной цепи электромагнитного трансформатора тока. Этим обусловливается существенное увеличение магнитной индукции (потока). Когда магнитная индукция достигнет величины индукции насыщения, вторичный ток трансформатора тока резко снижается. При изменении полярности первичного тока индукция (поток) снижается, что ведёт к пропорциональной трансформации тока во 130


вторичную обмотку. Поэтому деформация вторичного тока и появление импульсов тока намагничивания вследствие насыщения сердечника трансформатора тока будут иметь место на протяжении некоторой части каждого периода. Интервалы, соответствующие наличию и отсутствию насыщения следуют по очереди. В процессе затухания апериодической составляющей тока продолжительность интервалов, когда трансформатор тока полностью трансформирует ток, - увеличивается. Однако, эффект насыщения может иметь место на начальном этапе возникновения и развития аварийного состояния в электрическом присоединении сети. Он способен повлиять на работоспособность средств автоматической защиты в связи с отсутствием пропорциональности трансформации тока на интервале переходного процесса в сети. Применение в аппаратуре автоматизации и защиты микропроцессорных средств для обработки информационных сигналов электромагнитных трансформаторов тока позволяет идентифицировать режим насыщения последних. Однако алгоритмы идентификации насыщения измерительных трансформаторов тока обусловливают определённые задержки в формировании выходных параметров датчиков тока и этим обусловливают снижение быстродействия токовых защит. В составе существующих схем силовой рудничной коммутационной аппаратуры трансформаторы тока (трансформаторы токовой защиты) типа ТТЗ (рис. 3.3.) применяются как источники информационных сигналов пропорциональной величины (амплитуды или действующего значения) тока сети для устройств максимальной токовой защиты (типов УМЗ; ПМЗ; БТЗ) токовой защиты от перегрузок (ТЗП; БТЗ). 3.1.2 Датчик тока «Катушка Роговского» Датчики тока по схеме «Катушка Роговского» (рис. 3.6) применяют в отдельных типах шахтных магнитных пускателей, в частности – в компоновке вакуумного контактора типа SPVC (рис. 3.7) магнитных пускателей ПВИ-630МВ и аналогичных [10]. Конструкция датчика предусматривает расположение катушки электрического провода вокруг электропроводного немагнитного сердечника. Электрический ток в этом сердечнике создаёт магнитное поле, которое, в свою очередь, индуктирует вторичное напряжение u(t) в обмотках катушки [65]: 131


u (t ) = − μ

d i p (t ) d (t ) , μ ns idt = M p

0

dt

1

(3.3)

где μ0 – магнитная проницаемость среды; μr – относительная магнитная проницаемость (отношение магнитной проницаемости катушки к магнитной проницаемости среды); s – поперечное сечение сердечника; M - взаимная индукция обмоток катушки и проводника (для идеальной катушки Роговского значение взаимной индукции М не зависит от расположения проводника в этой катушке)

n

ip(t)

S

v(t) Рисунок 3.6 – Схема датчика тока «Катушка Роговского»

Напряжение на выводах обмотки катушки Роговского пропорционально производной измеряемого первичного тока ip(t). Для получения амплитуды или фазы измеряемого тока (комплексное значение) возможно либо непосредственное интегрирование выходного сигнала, либо его преобразование в частотной области с соответствующей корректировкой значений амплитуды и фазовых углов. Токовые датчики по схеме «Катушка Роговского» отличаются отсутствием погрешностей при выделении сигнала в области малых частот. Невозможность влияния других проводников, находящихся рядом с датчиками тока, на величину напряжения, индуктируемого на выводах его обмотки обеспечивается тем, что катушка Роговского содержит дополнительную обмотку, намотанную в обратном направлении к существующей рабочей обмотке. 132


а L YA X3

K1 Вакуумная камера K2

б

Рисунок 3.7 – Вакуумный контактор SPVC 1 – 630: схема принципиальная (а); внешний вид (б): YA – катушка контактора; SQ1, SQ2 – замыкающий и размыкающий вспомогательные контакты контактора, сблокированные с устройством перемещения силового контакта К; L – датчик тока «Катушка Роговского»

Преимущества катушки Роговского как датчика тока - следующие: - высокая точность измерения (погрешность не более 0,1%); - широкий диапазон измерения тока (от единиц ампер до сотен килоампер), возможность измерения тока с большой апериодической составляющей (в связи с отсутствием насыщающегося сердечника); - широкий частотный диапазон (до 1 мГц); - малые габариты, возможность интегрировать датчик тока в коммутационные аппараты без дополнительных контактных присое133


динений и необходимости увеличения габаритов электротехнического оборудования; - гальваническая развязка с первичной цепью; - отсутствие необходимости обеспечения оперативным электропитанием, выполнения проверки, низкая стоимость. 3.1.3 Оптические датчики тока Работа оптических датчиков тока основана на эффекте Фарадея [65, 66]. Эти датчики представляют собой кольца с размещёнными в них витками оптического волокна, которые охватывают шинопровод с током. При протекании тока вокруг проводника возникает магнитное поле, которое воздействует на поляризацию двух поляризованных световых сигналов с противоположным направлением вращения, проходящих вдоль волокна. Изменение поляризации возвращающихся световых сигналов позволяет вычислить угол Фарадея, который пропорционален току в первичной силовой цепи. Необходимой составляющей такого датчика является электронное устройство формирования и обработки световых сигналов. Упрощённая структура электронно-оптической схемы датчика тока (рис. 3.8) содержит источник оптического сигнала [67]. Этот сигнал посредством разветвителя преобразовывается в два право- и левополяризованные сигналы с противоположными направлениями вращения, которые подаются в оптическую петлю из N витков оптоволокна. Магнитное поле, создаваемое током І, протекающим по проводу, в соответствии с эффектом Фарадея задерживает один сигнал и ускоряет другой. Оба сигнала доходят к следующему круговому поляризатору, который преобразует их в линейно поляризованные световые потоки с плоскостями поляризации, смещёнными на угол: Δφ = 4V*N*I,

(3.4)

где V – постоянная Верде (величина, характеризующая магнитное вращение плоскости поляризации в веществе). Её значение зависит от свойств вещества, длины волны и монохроматичности излучения. Возвратившиеся световые потоки преобразовываются фотоприёмником в два напряжения переменного тока с частотой: ω = 2π С/λ, 134

(3.5)


где С – скорость света в оптоволокне; λ - длина волны оптического излучения. Оптическая петля

Проводник с током

Разветвитель

Фотоприёмник

Источник оптического сигнала

Рисунок 3.8 – Структурная схема оптоволоконного датчика тока с электроннооптическим блоком

Цифровой блок

Полученные электрические сигналы поступают на вход аналогоцифрового преобразователя электронного блока, преобразующего угол Δφ в цифровой сигнал с дальнейшей обработкой в DSPпроцессоре. Это даёт возможность создавать полностью цифровые средства защиты и измерения. Данные оптические датчики тока способны работать в большом диапазоне первичных токов сети, лишены влияния насыщения (как электромагнитные трансформаторы тока). Однако их использование обусловливает существенное усложнение схем электротехнических устройств, требует применения дополнительных средств обеспечения достаточного уровня надёжности функционирования датчиков тока. Наряду с оптическими датчиками тока, действие которых согласуется с компьютерно-интегрированными средствами защиты, измерения и контроля, известны разработки оптических датчиков напря135


жения (приложение 9). Однако их устройство и принцип функционирования требуют сложных технических средств адаптации к схемотехнике рудничных электрических аппаратов. 3.1.4 Измерительные шунты Шунт является простейшим преобразователем электрического тока в пропорциональное напряжение. Измерительный шунт изготавливается из манганина и представляет собой четырёхзажимный резистор (рис. 3.9). Два вводных зажима шунта (А1 и А2), через которые подводится ток, являются токовыми, а другие зажимы (В1 и В2), с которых снимается пропорциональное току напряжение, являются потенциальными и предназначены для подключения измерительного устройства или средства обработки (преобразования) сигнала по напряжению. В2 А1

А2

В1

Рисунок 3.9 – Устройство измерительного шунта [68]

Измерительный шунт характеризуется номинальными значениями входного тока Iном и выходного напряжения Uном. Поэтому сопротивление шунта является исключительно активным и определяется выражением Rш= Uном / Iном. Шунты позволяют проводить точные электрические измерения тока в силовых цепях в пределах единиц ампер до нескольких тысяч ампер. Малое активное сопротивление шунта определяет достаточно малые значения выходного напряжения. Величины калибровочных напряжений шунта находятся, как правило, в пределах от 10 мВ до 300 мВ. Чаще всего шунты применяются для измерения постоянного тока в совокупности с магнитоэлектрическими измерительными приборами (рис.3.10). При этом они находятся в электрической связи с цепями измерения тока, т.е. имеют тот же электрический потенциал, 136


что и цепь, в которой измеряется ток. Применение шунтов в средствах автоматики может быть связано с необходимостью усиления их выходного сигнала и его гальванической развязки с электрическим потенциалом цепи, в коPV торой измеряется элекІизм трический ток. Из анализа схемы подключения шунта к Uш средству измерения Іш можно установить, что ток, который протекает через средство измереRш ния (вольтметр) связан с Рисунок 3.10 – Схема подключения шунта к измеряемым током сети средству измерения (вольтметру PV) зависимостью: Іизм = Іш (Rш /Rш +Rизм),

(3.6)

где Rизм – сопротивление измерительного средства 3.1.5 Датчики тока на основе эффекта Холла Специфика усовершенствования электромеханических устройств, применяемых в составе технологических установок шахт и рудников состоит в широком использовании устройств регулирования скоростных режимов асинхронных двигателей на основе применения управляемых выпрямителей (электроприводы постоянного тока), регуляторов трёхфазного напряжения, преобразователей частоты (электроприводы переменного тока). Такие установки оснащены автоматическими средствами регулирования электромеханических параметров, в которых предусмотрено применение датчиков тока. Наличие силовых полупроводниковых регуляторов и преобразователей обусловливает воздействие на параметры сети, поскольку форма напряжения переменного тока на выходе полупроводникового преобразователя частоты или регулятора напряжения существенно отличается от синусоиды, а напряжение на выходе управляемого выпрямителя содержит пульсацию амплитуды и, даже, бестоковые промежутки при больших углах отпирания тиристоров. Следует также учитывать, что в большинстве случаев применение в системе автоматизации 137


шунта в качестве датчика тока силовых цепей двигателя постоянного тока требует применения дополнительных средств по усилению выходного сигнала и его гальванической развязки с потенциалами этих силовых цепей. Для этих условий эксплуатации адаптированы датчики тока, функционирующие на основе эффекта Холла - датчики типа ДИТ; ДТХ (рис. 3.11) и т.п. (приложение 7) [69]. Датчики преобразовывают измеряемый ток в напряжение и предназначены для применения в сетях переменного, постоянного и импульсного тока. Функционирование датчика основано на использовании эффекта Холла при измерении напряжённости магнитного поля вблизи поверхности проводника с током. Поэтому сигнальные и силовые цепи датчика гальванически развязаны. Эффект Холла состоит в том, что при наличии магнитного поля положительные и отрицательные заряды в процессе движения в полупроводнике отклоняются в противоположных направлениях под действием силы Лоренца. Такое распределеРисунок 3.11 – Датчик тока типа ние зарядов приводит к созданию ДТХ для сетей переменного, посЭДС (ЭДС Холла), которая протоянного и импульсного токов порциональна по величине напряжённости магнитного поля. Принцип измерения тока поясняется схемой (рис. 3.12) [70]. Чувствительный к магнитному полю элемент Холла находится в зазоре кольцевого магнитопровода. Измеряемый ток Іизм, проходя по обмотке І создаёт в магнитопроводе магнитный поток, который создаёт в чувствительном элементе Холла ЭДС, пропорциональную этому току. Сигнал с выхода этого элемента после усиления поступает на компенсационную обмотку ІІ. В результате, по этой обмотке протекает компенсационный ток Ік, создающий в магнитопроводе магнитный поток обратного направления. Магнитная система, элемент Холла и усилитель создают замкнутую систему с отрицательной об138


ратной связью, в которой поддерживается баланс (где W1; W2 – число витков обмоток І и ІІ): Іизм W1 = Ік W2,

(3.7)

Подключенный последовательно с обмоткой ІІ резистор R1 преобразовывает компенсационный ток в выходное напряжение датчика: Uвых = Iизм R1 W1/W2 ,

(3.8)

І изм Магнитопровод Элемент Холла

ІК Uвых = IизмR1w1/w2 R1

а

б

Рисунок 3.12 – Устройство датчика тока (а) компенсационного типа с чувствительным элементом Холла (б)

Схема (рис. 3.13) составляет основу высокоточного преобразователя электрического тока на основе эффекта Холла с компенсацией магнитного поля [71]. В этом преобразователе магнитный сердечник охватывает токопроводящую шину. Для измерения магнитного поля в зазорах сердечника установлено несколько датчиков Холла ДХ (цепи управляющего постоянного тока датчиков не показаны). Сигналы от датчиков Холла передаются на усилители, выходные сигналы которых поступают на обмотки, окружающие сердечник. Эти обмотки генерируют магнитное поле, компенсирующее напряжённость поля, создаваемого первичным током шины. Сумма вторичных токов пропорциональна первичному току. 139


Преобразователи такого типа отличаются точностью, могут измерять как переменный, так и постоянный, а также импульсный ток. Однако, они требуют точной настройки и монтажа для исключения влияния асимметричного поля и перекрёстных наводок.

Магнитный сердечник Усилитель

ДХ

ДХ

Усилитель

ТОКОВЕДУШАЯ ШИНА

ДХ

ДХ

R1

Суммарный ток усилителей

Усилитель

Uвих

Усилитель

Рисунок 3.13– Устройство высокоточного преобразователя электрического тока на эффекте Холла с компенсацией магнитного поля [71]

3.2 Преобразователи мощности В процессе эксплуатации асинхронных двигателей появляется необходимость определения величины потребляемой активной и реактивной мощности для реализации функций автоматического управления и защиты. Эта задача решается благодаря применению преобразователей мощности. Схема их подключения (рис. 3.14) предусматривает присоединение к преобразователю выходных обмоток двух трансформаторов тока, размещённых в разных фазах контролируемого присоединения, а также двух источников напряжения, пропорцио140


нального линейным напряжениям этого присоединения. Выходным сигналом преобразователя является ток, пропорциональный потребляемой активной, либо реактивной мощности этого силового присоединения. Свойства преобразователя поясняются из таблицы 3.2. Асинхронный двигатель (активноиндуктивная нагрузка)

Общий вид ПР-01-ТК

Рисунок 3.14 – Схема подключения и общий вид преобразователя мощности ПР-01-ТК

Таблица 3.2 Технические характеристики преобразователя мощности ПР-01-ТК Номинальные значения измеряемых величин на вводах преобразователя мощности: напряжение, В ток, А Максимально допустимые значения измеряемых величин на вводах преобразователя мощности: напряжение, В ток, А Основная приведенная погрешность преобразователя измерительного при измерении активной, реактивной мощности, %; тока,%; напряжения, % Токовый выход – унифицированный сигнал постоянного тока, мА Электропитание прибора напряжением переменного тока (f =50 Гц), В Вариант электропитания напряжением постоянного тока, В 141

100 5 120 7,5 + 0,5 0…5 220 24


Назначение – непрерывное измерение параметров электросети с изолированной нейтралью и преобразование измеренных величин активной и реактивной мощности в унифицированные токовые сигналы Свойства: наличие 2-х токовых выходов; цифровая обработка сигналов; цифровой интерфейс RS-485, протокол MODBUS (RTU); задание коэффициентов трансформации измерительных трансформаторов тока и напряжения

3.3 Аппаратные средства температурной защиты электрических машин шахты 3.3.1 Датчики устройств температурной защиты электрических машин Одной из распространённых причин повреждения обмоток электродвигателей горных машин и трансформаторов подстанций является перегрев изоляции вследствие протекания повышенных токов. Установлено, что постоянный перегрев электродвигателя на 10ºС приводит к снижению его ресурса вдвое (рис. 3.15) [72]. Т , часов

τ, 0С

Рисунок 3.15 – Зависимость ресурса асинхронного двигателя (Т, час.) от величини постоянного перегрева ( τ, 0С) по правилу Монцингера [72]

К причинам увеличения тока следует отнести: - частые пуски (с незначительными интервалами между ними); 142


- ухудшение эффективности охлаждения (поломка лопастей вентилятора двигателя; обвал горной массы на двигатель); - отклонение напряжения питания от номинальной величины; - чрезмерное увеличение момента сопротивления со стороны рабочего органа. В процессе эксплуатации наряду с устройствами косвенного контроля теплового состояния электромашин и защиты их от перегрева (устройства защиты ТЗП) применяют защиту на основе непосредственного контроля температуры их обмоток. Средствами непосредственной защиты электродвигателей и трансформаторов от перегрева являются термодатчики - дифференциальные температурные реле ДТР-3М (рис. 3.16). В режимах перегрузки уставка срабатывания защиты автоматически уменьшается с увеличением кратности перегрузки, что повышает эффективность действия защиты. Уставки срабатывания ДТР-3М по температуре составляют: 120°С, 160°С и 180°С. Регулирование уставок производят винтом 10, а регулирование скорости срабатывания – винтом 3.

а

б Рисунок 3.16 – Дифференциальное температурное реле ДТР-3М: а – нормальный тепловой режим (нет перегрева объекта контроля);

в

б – перегрев объекта контроля при медленном увеличении температуры; в – перегрев объекта контроля при высокоинтенсивном увеличении температуры

Устройство ДТР-3М смонтировано в теплостойком пластмассовом корпусе 1 с медной теплопроводной крышкой 2. Внутри корпуса размещены: теплочувствительный элемент из двух термобиметалли143


ческих пластин 4 и 5; контактная группа из пластин 5, 6; контактов 7, 8 и изоляционной прокладки 9. Термодатчик ДТР-3М устанавливают так, чтобы крышка 2 находилась в непосредственном тепловом контакте с контролируемым объектом. Контактную группу 5-6 включают последовательно в цепь дистанционного управления пускателем контролируемого объекта. Нагрев электрооборудования может быть медленным (продолжительные технологические перегрузки) или интенсивным (застопоренный ротор двигателя, межвитковое замыкание в двигателе). В первом случае (рис. 3.16, б) температурный перепад между пластинами 4 и 5 незначительный и их изгиб в сторону винта 10 одинаков. Когда температура контролируемого объекта достигнет значения уставки, движение пластины 5 прекращается винтом 10, и под действием пластины 4 с винтом 3 осуществляется размыкание контактов 7 и 8, подключенных в цепь управления коммутационным аппаратом. При этом электропитание контролируемого объекта будет отключено. В случае интенсивного роста температуры объекта (рис. 3.16, в), имеет место значительный перепад температур между пластинами 4 и 5. Поэтому пластина 4 изгибается значительно больше, чем пластина 5, что приводит к ускоренному размыканию контактов 7 и 8. С повышением скорости увеличения температуры объекта снижается уставка срабатывания защиты. Несмотря на простоту конструкции, наличие контактных соединений и их перемещений снижают надёжность работы такого средства температурной защиты. Наряду с этим, в практике эксплуатации применяются средства терморезисторной защиты. Датчик этой защиты (рис. 3.17) представляет собой соединённые последовательно терморезисторы 1 проводниками 2. В каждом двигателе устанавливается два терморезисторных датчика, предназначенных, соответственно, для подключения выo o t t ходами 3 в цепь блока 2 3 индикации тепловой перегрузки двигателя (предупредительная защита, предусматривается в современных 1 to to схемах силовых коммутационных аппараРисунок 3.17 – Схема терморезисторного датчика температурной защиты асинхронного двигателя 144


тов), или в цепь блока, формирующего команду на отключение контактора силового коммутационного аппарата (аварийная защита). Диапазон изменения сопротивления терморезисторных датчиков, как правило, находится в пределах: 200 Ом (холодный двигатель) - 10 кОм (тепловая перегрузка двигателя). Соединённые последовательно терморезисторы располагают непосредственно на объекте термоконтроля и подключают к измерительно-исполнительному устройству. На рис. 3.18 приведена схема подключения группы терморезисторов, непосредственно к термореле на примере применения термореле типа МТ2 с сопротивлением срабатывания терморезисторного датчика Rср.=3,6 кОм и сопротивлением отпускания (после срабатывания) Rср.=3,6 кОм [71]. Аналогичной является схема подключения терморезисторного датчика к термореле типа РТ-М01-1-15 (приложение 10) [73].

R1

97

R2

95

L1

T1

T2 Асинхронный двигатель

МТ

98

96

N2

Рисунок 3.18 – Схема подключения терморезисторных датчиков к термореле типа МТ [72]

Термодатчик может использоваться и как составляющая резисторного делителя напряжения R1…Rn; R3 при условии определения (в аппаратном устройстве) падения напряжения ΔU1 на резисторе R3 145


делителя и сравнения этого напряжения с напряжением уставки ΔU2 срабатывания защиты ΔUвых = «1» при условии ΔU1 < ΔU2 (рис. 3.19).

t 0C R1

t 0C

R3

Rn ΔU1

+

R4

Uвых ΔU2

R5

Рисунок 3.19 – Пример применения терморезисторного датчика в составе делителя напряжения при построении температурной защиты электроустановки

3.3.2 Аппараты «КОРД» защиты горных машин от перегрузок При стопорении или затянувшемся пуске асинхронного двигателя по его обмоткам протекает пусковой или близкий к пусковому ток, что представляет опасность теплового повреждения изоляции. Для контроля работы и защиты асинхронных двигателей горных машин применяется аппарат «КОРД» [10; 74]. Различают его варианты: - КОРД-У1 - для отключения асинхронного двигателя при стопорении или несостоявшемся пуске; - КОРД-У2 - для контроля тока асинхронного двигателя и защиты его от технологических перегрузок; - КОРД-У3 – совмещает функции аппаратов КОРД-У1 и КОРДУ2; - КОРД-У4 – совмещает функции аппарата КОРД-У3 и дополнительно – выполняет функцию защитного отключения двигателя при обрыве фазы. Основным функциональным элементом аппарата «КОРД» является трансформатор тока, используемый в качестве датчика с одним («КОРД-1») или двумя окнами 1 в магнитопроводе 2 (рис. 3.20). 146


2

Сквозь них прокладывают определённое число витков из жил силового кабеля электропитания. К выходу трансформатора тока подключены элементы схемы и исполнительное реле, расположенные в пластмассовом корпусе аппарата. Под съёмной крышкой корпуса аппарата находится переключатель уставок тока срабатывания и зажимы выходов контактов исполнительного реле.

1

Рисунок 3.20 – Общий вид аппарата «КОРД-4У»

Характеристика пуска двигателя

Iп Iип

Характеристика защиты при несостоявшемся пуске; стопорении ротора Характеристика защиты при технологической перегрузке

Зона работы двигателя

Iтп Iн Тип

Ттп

Рисунок 3.21 – Характеристика защиты двигателя горной машины от перегрузок при применении аппарата КОРД-4У: Iп – пусковой ток двигателя; Iн – номинальный ток двигателя; Ітп ;Iип – уставки токов технологической и интенсивной перегрузки Tтп; Tип – уставки продолжительности технологической и интенсивной перегрузки

Принцип действия аппарата КОРД-4У поясняется реализуемой им характеристикой защиты двигателя (рис. 3.21) и состоит в том, что параметр, пропорциональный току защищаемого силового присоединения (двигателя) сравнивается с уставками технологической Ітп и 147


интенсивной Іип перегрузки. В случае превышения током той или другой уставки включается таймер продолжительности работы двигателя в режиме интенсивной Тип, или технологической Ттп перегрузки, соответственно. В случае неснижения тока в момент срабатывания таймера, аппарат КОРД-4У формирует команду на отключение двигателя. Схемотехника аппарата КОРД-4У предполагает применение трансформатора тока для измерения величины тока в защищаемом силовом присоединении и дальнейшее преобразование вторичного тока этого трансформатора в напряжение пропорциональной величины, которое используется для сравнения с уставками защиты. Вопросы для самоконтроля 1. Какие датчики электрического тока применяют в устройствах автоматической защиты от аварийных и опасных состояний? 2. Какие трансформаторы токовой защиты применяют в схемах силовой рудничной коммутационной аппаратуры? В чём состоят их функциональные свойства? 3. В чём состоят особенности устройства и функционирования датчика тока «Катушка Роговского»? 4. Оптические датчики тока. Их назначение, устройство и принцип действия. 5. Измерительные шунты. Их назначение, устройство и принцип действия, область применения. 6. В чём состоит эффект Холла? Привести примеры применения эффекта Холла. 7. Каковы структура и принцип действия датчиков тока компенсационного типа с чувствительным элементом Холла? 8. Каковы назначение, свойства и особенности применения преобразователей активной и реактивной мощности в устройствах измерения электрических параметров? 9. Каковы назначение, свойства и особенности применения датчика - температурное реле? 10. Раскрыть принципы построения средств защиты электрических машин от перегрева при токовых перегрузках на основе применения терморезисторных датчиков. 11. Каковы функции и особенности применения аппаратов „КОРД-У” защиты горных машин от перегрузок. 148


РАЗДЕЛ 4 ЗАЩИТНОЕ ПОДАВЛЕНИЕ ОБРАТНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТОКОВ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Учебной целью раздела является обретение студентами знаний относительно устройства и специфики применения технических средств защитного быстродействующего (в т.ч., опережающего) обесточивания шахтной участковой электросети на основе автоматического двустороннего отделения от сети энергетических потоков. Результатом освоения студентами материала раздела являются знания принципов выявления аварийного состояния сети шахтного участка техническими средствами со стороны асинхронных двигателей электропотребителей и построения автономных устройств отделения от сети их обратных энергетических потоков, которые в совокупности с защитными средствами силовых коммутационных аппаратов создают возможность ускоренного автоматического двустороннего защитного обесточивания участкового электротехнического комплекса шахты. 4.1 Обратные энергетические потоки асинхронных двигателей как фактор поддержания опасных состояний электрооборудования Особенность работы асинхронного двигателя состоит в его способности создавать обратную ЭДС (ЭДС вращения) евр в процессе выбега (рис. 4.1) [26, 75]:

t Tr cos((1 − s)ωt +ψ ) = e , е KU −

вр

1

1m

(4.1)

где U1m – амплитуда напряжения сети; S – скольжение АД; ψ – начальная фаза ЭДС вращения; ω – частота напряжения сети; К1 – коэффициент, учитывающий уменьшение амплитуды ЭДС вращения в сравнении с U1m. При номинальной нагрузке 0,83 < К1 < 0,85; в режиме холостого хода 0,92 < К1 < 0,95. Во время свободного выбега АД амплитуда ЭДС вращения уменьшается экспоненциально с постоянной времени Tr: 149


T r = (Lr / Rr ) = U ф ⋅ K μ / I 0 Rrω0 ,

(4.2)

где U ф – фазное напряжение статора двигателя в режиме холостого хода; Iо – ток холостого хода АД, Kμ – коэффициент, учитывающий насыщение магнитной цепи. В общем случае: (1,0 < Kμ < 1,1); для АД с водяным охлаждением: (1,6 < Kμ < 1,8); Lr; Rr – индуктивность и активное сопротивление обмотки ротора АД [23]. Параметр Tr увеличивается с увеличением мощности АД, поскольку при этом уменьшается величина Rr. eA

Rтр

Lтр

АВ

Rмк

Lмк

Rгк

Lгк

Rs

Lsl

Lrl

-eобА

Rr

L0 eB

Rтр Lтр

Rмк

Lмк

R гк

L гк

Rs

Lsl

Lrl

-eобB

Rr

L0 eC

Rтр

Lтр

Rмк

Lмк

Rгк

Lгк

Rs

Lsl

Lrl

-eобC1

Rr

L0 M

Рисунок 4.1 – Схема замещения силового присоединения сети с АД: АВ – автоматический выключатель; КА – контактор; М – асинхронный двигатель; e A , eB,eC - мгновенные значения фазных напряжений на выходе трансформаторной подстанции; Rтр , Rмк , Rгк , Lтр , Lмк , Lгк - активные сопротивления и индуктивности, соответственно, трансформатора, магистрального и гибкого кабелей; Rs , Rr , Lsl , Lrl - активные сопротивления и индуктивности, соответственно, статора и ротора асинхронного двигателя

В реальных условиях эксплуатации асинхронный двигатель, как правило, находится под нагрузкой (режим холостого хода – отсутствует), что влияет на параметры обратной ЭДС. Так, аналитическая зависимость угловой скорости ротора двигателя ω во время выбега от характера момента нагрузки определяется выражением [76]:

ω = γ −1

1 1 + (γ − 1)t / τ ,

(4.3)

где τ − механическая постоянная времени механизма; γ − показатель, характеризующий механическую характеристику машины: γ =0 при 150


неизменном моменте сопротивления; в случае линейной зависимости механического момента от угловой скорости γ =1; «вентиляторной» механической характеристике соответствует γ =2. Влияние момента инерции Jпр привода и статического момента сопротивления Мс на продолжительность снижения угловой скорости ротора АД определяются выражением [23,26]:

J ω dω = пр 2 , − Mс Mс ω2 0

t т = J пр ∫

(4.4)

где ω 2 – частота вращения ротора двигателя при М = Мс. Снижение угловой скорости АД во время выбега происходит тем медленнее, чем больше момент инерции механизма, его начальная частота вращения, а также, чем меньше уровень механической нагрузки двигателя (рис. 4.2).

Рисунок 4.2 – Кривые выбега для агрегата с механизмом, имеющим вентилдяторный момент сопротивления, при изменения относительно земли момента сопротивления механизма Мс. нач* ; s , ω* − скольжение и основная угловая скорость АД t* − относительное время (в долях времени ускорения агрегата) [77]

Из зависимостей (4.1)-(4.4) следует, что мгновенные значения ЭДС вращения роторов асинхронных двигателей разных мощностей 151


на протяжении своего снижения могут принимать значения, различные по амплитуде, частоте и знаку (рис. 4.3) [23]. Рисунок 4.3 – Зависимость эффективного значения напряжения фазы А относительно земли (UA0), обусловленного обратной ЭДС двигателя мощностью 88кВт при выбеге по данным эксперимента [76] при нагрузке: 1 − 0,68Ін; 2 − 0,84Ін; 3 − 1,7Ін; 4 − 4,1Ін; Ін − номинальный ток двигателя; t − время выбега от момента отключения сети

Начальные значения обратных ЭДС асинхронных двигателей соразмерны с величиной сетевого напряжения и достаточны для поддержание в течение некоторого времени во включенном состоянии контакторов магнитных пускателей распределительного пункта участка. Благодаря этому могут создаваться условия поддержания в двигательном режиме отдельных АД (с меньшими постоянными времени снижения обратных ЭДС) и переходу более мощных двигателей в состояние генераторов (на интервале времени t2 – t3, рис. 4.4). Во время выбега в таком случае двигатели потребителей участка создают в сети систему трёхфазных напряжений, снижающихся экспоненциально с постоянной времени Tг : n

Т г = ∑ Pнk i =1

n

Pнk

∑Т i =1

,

(4.5)

rk

где Рнk; Тrk − номинальная мощность и постоянная времени экспоненты обратной ЭДС k−го двигателя, соответственно. Начиная от момента t3 отключения контакторов из-за прекращения взаимного влияния двигателей повышается интенсивность замедления роторов АД меньшей мощности (рис. 4.5) [23].

152


Рисунок 4.4 – Диаграммы ЭДС вращения асинхронных двигателей технологических установок участка (в соответствии с табл. 4.1) в режиме выбега при условии отключения контакторов пускателей в момент отключения напряжения питания сети

Рисунок 4.5 – Расчётная диаграмма изменения частот вращения двигателей М1-М6 (табл. 4.1) в процессе выбега [23]

Таблица 4.1 Параметры типовых потребителей электросети шахтного участка № 1 2 3 4 5 6

Номинальные параметры АД мощность, кВт ток, A cos φ 210 231 0,85 110 121 0,85 110 121 0,85 2х110 243 0,85 55 62,5 0,86 30 35,1 0,84

Тип потребителя Комбайн Конвейер лавы (верхний привод) Конвейер лавы (нижний привод) Конвейер штрека Маслостанция Станция орошения 153


Таким образом, асинхронные двигатели потребителей участка в своей совокупности являются источником мощных обратных энергетических потоков, имеющих место на интервале времени после отключения электросети участка и обусловлены переходом двигателей в режим свободного выбега. Тенденция к повышению мощностей электромеханического оборудования и, в частности, электродвигателей, обусловливает увеличение времени существования обратных ЭДС в сети. Наличие этой ЭДС поддерживает контакторы пускателей во включенном состоянии некоторое время после отключения напряжения питания сети, а в результате различия мощностей и постоянных времени асинхронных двигателей формируется обобщённая ЭДС и уравнительные токи при наличии включенного состояния контакторов пускателей. Итак, наличие обратной ЭДС АД обусловливает поддержание опасного состояния сети после её защитного отключения в случае возникновения повышенной междуфазной проводимости (междуфазное короткое замыкание; междуфазное дугообразование) или цепи утечки тока на землю (рис. 4.6).

uут, В

Рисунок 4.6 - Диаграмма напряжения uут на сопротивлении Rут = 1 кОм цепи однофазной утечки тока на землю в присоединении двигателея М1 группы потребителей (табл. 4.1) при отключенном состоянии контакторов пускателей на интервале времени t2– t3 [23]

Учитывая способность асинхронного двигателя создавать обратную ЭДС на начальном этапе режима выбега (после отключения от сети), электротехнический комплекс технологического участка шахты должен быть представлен как система с двумя источниками электропитания (энергетических потоков), близких по величине мощностей – участковой трансформаторной подстанцией и совокупностью асинхронных двигателей потребителей. Исходя из этого, распространённое представление о характере протекания короткого замыкания в силовом присоединении сети участка (с учётом установившейся и свободной составляющих тока со стороны трансформато154


ра подстанции) должно быть дополнено составляющими параметров процесса, начинающегося после защитного отключения сети и определяемого действием обратных энергетических потоков асинхронных двигателей. Возможные варианты возникновения аварийного состояния короткого замыкания в силовом присоединении сети ЭТК шахтного участка рассмотрены в разделе 1 (см. рис. 1.18-1.21). Таким образом, обратные энергетические потоки асинхронных двигателей потребителей участка шахты создают опасные состояния участкового электротехнического комплекса после его защитного отключения, поскольку поддерживается ток в точке повреждения кабеля силового присоединения после защитного отключения напряжения сети. Этим обусловлена целесообразность обоснования параметров и применения специальных технических средств устранения действия обратных энергетических потоков. С целью минимизации времени существования опасного состояния участковой электросети действие этих средств должно начинаться не вследствие защитного отключения напряжения питания, а в связи с возникновением опасного состояния в силовом присоединении электротехнического комплекса шахтного участка. 4.2 Устройство и проблематика применения системы опережающей защиты рудничных электроустановок Защитное отключение силового присоединения при срабатывании максимальной токовой защиты предполагает некоторую продолжительность протекания тока в цепи междуфазного короткого замыкания, обусловленную продолжительностью выявления аварийного процесса и разъединения трёхполюсной контактной группы автоматического выключателя. Кроме этого, воздействие обратных энергетических потоков асинхронных двигателей состоит в поддержании тока в цепи короткого замыкания после защитного отключения электросети. Это создаёт вероятность воспламенения элементов электрооборудования аварийного (междуфазное к.з.) силового присоединения. В условиях шахты это может вызвать крайне опасные последствия – пожар или взрыв метано-воздушной смеси (при концентрации метана в воздухе от 4% до 15%). В опасных условиях шахты продолжительность протекания тока по аварийному присоединению целесообразно максимально уменьшить, учитывая, что обесточивание 155


точки короткого замыкания за время, не превышающее 2,5 mc исключает создание теплового импульса в точке короткого замыкания шахтной участковой электросети с энергией, достаточной для возникновения взрыва метано-воздушной смеси [78-80]. Известный принцип ускоренного обесточивания аварийного присоединения состоит в соединении функции отключения сети с функцией создания искусственного короткого замыкания всех трёх её фаз непосредственно на выходе силового коммутационного аппарата (что было реализовано схемой автоматического быстродействующего выключателя АБВ-250 при использовании устройства быстродействующей токовой защиты БМЗ с функцией выявления скорости нарастания тока сети) [4, 80]. Этот принцип иллюстрируется рис. 4.7. TV 1

SF 1 SA1

M 1

ÌÑÇ «БМЗ» VC 1

VS 1

Рисунок 4.7 – Принцип токовой защиты закорачиванием выхода автоматического выключателя (SА1) в процессе защитного отключения аварийного присоединения

Применение автоматических быстродействующих выключателей (АБВ-250) с функцией короткого замыкания силового выхода в процессе отключения присоединения стало основой создания системы ускоренного обесточивания участковой электросети шахты (рис.4.8), которая получила определение, как система, так называемой, «опережающей» защиты и обусловило соответствующее положение нормативного документа (п.5.2.2 ПБ) в части применения и быстродействия защитного отключения (2,5 mc) электросети очистных и подготовительных забоев пластов крутого падения, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа (электрооборудование с уровнем взрывозащиты РВ) [18]. С целью реализации заявленных за156


щитных функций в системе электроснабжения предполагается применение кроме автоматического быстродействующего выключателя АБВ-250 средств защитного закорачивания, непосредственно, силовых вводов асинхронных двигателей потребителей (короткозамыкателей ПМК и ПМКВ) и модифицированных пускателей ПВИ-250АБВ, либо подобных (рис. 4.8) [78, 79, 81]. Однако этому техническому решению присущ ряд недостатков: управление отделением от сети обратного энергетического потока асинхронного двигателя в случае повреждения кабеля питания в соответствии со схемой (рис. 4.8) происходит по командам, которые должны поступать от автоматического быстродействующего выключателя участка к короткозамыкателю статора по сигнальным жилам этого же кабеля. Поэтому при его повреждении существует вероятность несрабатывания защиты из-за повреждения сигнальных жил одновременно с силовыми (это ставит под сомнение эффективность применения приведенной выше структуры участкового электротехнического комплекса); отсутствие автономности устройства, т.е. включение короткозамыкателей происходит после срабатывания автоматического выключателя, что ведёт к некоторому запаздыванию устранения действия обратного энергетического потока асинхронного двигателя; вероятность ошибки персонала при подключении сигнальных жил кабеля к проходным зажимам пускателя, что может привести к разрыву канала передачи управляющих команд; вероятность ложного срабатывания короткозамыкателя приведёт к возникновению аварийного состояния в шахтном участковом электротехническом комплексе, что недопустимо; срабатывание короткозамыкателей создаёт токовые и динамические перегрузки асинхронного двигателя. Перечисленные недостатки обусловили отказ от производства и применения системы «опережающего» отключения по схеме (рис.4.8), однако промышленное использование этой схемы доказало принципиальную возможность применения быстродействующего обесточивания точки короткого замыкания в кабеле питания асинхронного двигателя путём отделения от сети энергетических потоков как со стороны питающей трансформаторной подстанции, так и со стороны статора асинхронного двигателя аварийного присоединения.

157


158

Рисунок 4.8 - Структурная схема системы электроснабжения шахтного участка с быстродействующим защитным обесточиванием точки к.з.

М2

М1


Принципиально важным является то, что отделение обратного энергетического потока асинхронного двигателя должно происходить по команде автономного средства выявления опасного состояния силового присоединения одновременно со срабатыванием защитного устройства со стороны трансформаторной подстанции электропитания. 4.3 Автономные устройства отделения от сети обратных энергетических потоков асинхронных двигателей: принципы устройства и защитные функции Задача подавления обратного энергетического потока асинхронного двигателя в случае возникновения аварийного состояния в сети его электропитания может быть решена при условии применения соответствующего исполнительного устройства непосредственно в структуре схемы статора АД и получения информационного сигнала относительно состояния сети электропитания путём непосредственного анализа её параметров. Такой подход исключает согласование работы устройства подавления действия обратного энергетического потока АД со схемотехникой силовых коммутационных аппаратов распределительного пункта технологического участка шахты и, в частности, их средств максимальной токовой защиты и защиты от утечек тока на землю. Этим достигаются два положительных результата: - схемотехника силовой коммутационной аппаратуры распределительного пункта участка не требует дополнительной адаптации к схемам исполнительных устройств подавления обратных энергетических потоков АД; - исключается необходимость усложнять схему участкового электротехнического комплекса дополнительной сетью коммуникации между средствами защиты силовых коммутационных аппаратов распределительного пункта участка и средствами подавления обратных энергетических поотоков АД. Решение этой задачи требует определения информационного сигнала о наличии аварийного состояния в сети питания асинхронного двигателя на основе непосредственного анализа параметров этой сети. Принципиально возможными вариантами короткого замыкания в сети питания асинхронного двигателя являются следующие: 159


- вариант №1. Короткое замыкание – трёхфазное и возникает внезапно между всеми тремя фазами кабеля; - вариант №2. Короткое замыкание – трёхфазное и возникает сначала между двумя фазами гибкого кабеля с дальнейшим замыканием спустя время Δt1 третьей фазы к предыдущим двум; - вариант №3. Двухфазное замыкание в гибком кабеле. Следует ожидать, что в момент возникновения трёхфазного короткого замыкания будет прекращаться ток от питающей комплектной трансформаторной подстанции до цепи статора двигателя, после чего двигатель, как электрогенерирующая машина, начнёт подпитку точки трёхфазного к.з. своим обратным энергетическим потоком. На рис. 4.9 представлены расчётные диаграммы тока в сети статора двигателя типа 2ЭКВ4УС2 мощностью 220 кВт при номинальном значении линейного трёхфазного напряжения сети 660 В [82], начиная от момента пуска ненагруженного асинхронного двигателя (момент времени t0). В момент времени t1 двигатель выходит на номинальную нагрузку. Трёхфазное короткое замыкание возникает в момент времени t2.

Рисунок 4.9 – Действующее значение тока статора асинхронного двигателя 2ЭКВ4УС2 (Р=220 кВт) с учётом пускового режима, наброса номинальной нагрузки в момент t1 и возникновения к.з. в кабеле питания в момент времени t2 (линейное напряжение сети 660 В)

Детальное рассмотрение диаграммы тока статора АД (на интервале, определённом площадью «А») свидетельствует о наличии кратковременного (по результатам опыта – 0,0015 с) уменьшения тока в цепи статора АД с последующим интенсивным его повышением. Од160


нако чрезмерно малые количественные показатели начального уменьшения тока статора перед дальнейшим его увеличением не позволяют использовать этот эффект в качестве информационного параметра о возникновении аварийного (опасного) состояния в кабеле питания асинхронного двигателя. Кроме этого, данным эффектом не сопровождается опасное состояние возникновения цепи утечки или замыкания фазы на землю. Двухфазное короткое замыкание в сети питания асинхронного двигателя является первичным аварийным состоянием шахтного кабеля, которое с развитием аварии превращается в состояние трёхфазного короткого замыкания (это обусловлено соответствующей конструкцией шахтного кабеля). Таким образом, команда на защитное отделение от сети обратного энергетического потока асинхронного двигателя должна быть сформирована при возникновении цепи повышенной проводимости между двумя фазами или между фазой и контуром «земля». Учитывая наличие резиновых проводящих экранов 5, предусмотренных поверх изоляции 4 силовых жил 2 гибкого шахтного кабеля, которые непосредственно контактируют с заземлённой заземляющей жилой 3 кабеля 1 (рис. 4.10), можно утверждать, что возникновение цепи повышенной проводимости между двумя силовыми жилами кабеля (в случае механического повреждения) одновременно будет сопровождаться появлением цепи повышенной проводимости между каждой из повреждённых фаз и контуром «земля» 9. Учитывая обязательность применения в шахтной участковой электросети гибких экранированных кабелей имеет смысл использовать принцип кратковременного создания цепи повышенной проводимости между фазой и контуром «земля» как условия формирования управляющего сигнала на защитное отделение от сети обратного энергетического потока асинхронного двигателя в случае возникновения аварийного (опасного) состояния. В этом случае информационным сигналом о возникновении одно – или двухфазного к.з. на землю при наличии информационной связи между статорной обмоткой и заземлённым корпусом АД потребителя аварийного присоединения может быть ток в заземляющей жиле питающего кабеля. Техническое противоречие между обязательностью гальванического отделения цепи статора АД от заземлённого корпуса двигателя и необходимостью создания указанной информационной связи может быть решено созданием искусственной цепи из соединённых встречнопоследовательно стабилитрона и диода с последовательным подклю161


чением токоограничивающего резистора между цепью статора АД и его заземлённым корпусом (рис. 4.11) [83]. 4

5

2

4

1

3

3 10

10 9

7

8 6

6

Рисунок 4.10 – Схема подключения шахтного гибкого экранированного кабеля 1 – оболочка кабеля; 2 – силовые жилы; 3 – заземляющая жила; 4 – резиновая изоляция силовых жил; 5 – резиновый электропроводящий экран; 6 – силовые зажимы в отсеках кабельных вводов пускателя 7 и асинхронного двигателя 8; 9 – контур «земля»; 10 – заземляющие болты

Эта схема предполагает подключение заземляющей жилы питающего кабеля в устройстве кабельного ввода АД к заземляющему болту через трансформатор тока блока защитного отключения (БЗО), выход которого предназначен для присоединения ко входу коммутационного аппарата SF (размыкающие контакты аппарата SF соединяют обмотки статора двигателя в трёхфазную схему). Наличие тока во вторичной обмотке трансформатора тока является информационным сигналом на размыкание контактов коммутационного аппарата SF. Разъединения трёхфазной схемы статора АД препятствует протеканию тока от статора к точке к.з. в кабеле электропитания. Проводящее состояние цепи VD1-R-VD2 будет только при наличии тока (повреждения) между фазой кабеля и контуром «земля». 162


1

SA

SF

UA UB

VD1

UC

R

РПНН КТП

АЗУР

VD2 БЗО 3

2

Рисунок 4.11 - Структурная схема устройства двустороннего обесточивания места короткого замыкания в кабеле электропитания АД: 1 – статор АД; 2 – корпус АД; 3 – заземляющая жила кабеля

Отделение энергетического потока АД от места повреждения питающего кабеля имеет место одновременно с отключением напряжения автоматическим выключателем питающей комплектной трансформаторной подстанции. Такая функция при условии реакции защиты на повреждение изоляции одной фазы кабеля является опережающей относительно дальнейшего развития междуфазного короткого замыкания, что поясняется следующим. Процесс междуфазного к.з. в кабеле питания АД начинается с повреждения одной или двух фаз, что при условии применения гибкого экранированного шахтного кабеля ведёт к непосредственному контакту жил повреждённых фаз с заземляющей жилой. С одной стороны, это вызывает срабатывание максимальной токовой защиты трансформаторной подстанции (при междуфазном замыкании) и аппарата защиты от утечек тока на землю и соответствующего отключения повреждённого кабеля от КТП автоматическим выключателем SA. В то же время, в момент появления одно - или двухфазного замыкания на землю под действием значительной разности потенциалов между заземляющей жилой и общей точкой статора АД стабилитрон VD1 открывается в обратном направлении. Создаётся путь тока от КТП через повреждённую жилу (жилы) кабеля и его заземляющую жилу, корпус АД, стабилитрон VD1, резистор R, диод VD2 – к общей точке статора. Защитная функция будет отрабатываться, если повреждение питающего кабеля произошло и после отключения напряжения в электросети при условии нахождения её электродвигателей в состоянии 163


выбега. В этом случае ток в цепи VD1-R-VD2 определяется величиной ЭДС вращения АД и протекает от его статора. Схема присоединения диода VD2 и стабилитрона VD1 исключает влияние на работу участкового аппарата защиты от утечек тока на землю, т.к. препятствует протеканию через землю на статор двигателя постоянного оперативного тока этого аппарата (накладываемого на трёхфазную электросеть). Эта схема присоединения отделяет статор АД от его заземлённого корпуса, что соответствует принципу изоляции статора двигателя от элементов заземления сети в рабочем режиме эксплуатации. Наличие цепи повышенной проводимости между фазой сети и землёй может рассматриваться как отдельный случай недопустимого к эксплуатации состояния электротехнического комплекса участка шахты в случае возникновения утечки тока на землю (касание человеком элемента сети, находящегося под напряжением). Поэтому защитное действие устройства может быть распространено на случаи возникновения цепей утечки тока на землю. В случае, если указанным защитным устройством оснащены все двигатели потребителей участка, возникновение цепи повышенной проводимости между фазой и контуром «земля» вызовет одновременное отделение обратных энергетических потоков всех этих двигателей. Поэтому срабатывание автономных устройств отделения от сети обратных энергетических потоков АД будет сопровождаться созданием дополнительных активных проводимостей между фазой сети и землёй и повышением тока в цепи утечки на землю (при касании человеком фазы сети, находящейся под напряжением). Принципиально важно, чтобы при защитном отделении от сети обратных энергетических потоков АД ограничивалось количество электричества через тело человека (Rут) на допустимом уровне (q < 50 мА*с) [18]. Этим требованиям отвечает схема (рис. 4.12), где контур выявления аварийного (опасного) состояния питающего кабеля создан соединёнными по схеме «звезда» резисторами R1 – R3 при подключении их к фазам сети со стороны ввода статора АД и последовательном соединении с ними (между «звездой» схемы и контуром «земля») цепи из конденсаторов С1–С2 и диода VD1. Эта цепь поддерживает режим изолированной нейтрали сети при отсутствии однофазной утечки тока на землю, делает невозможным протекание постоянного тока, включая оперативный ток аппарата защиты от утечек тока на землю (т.е. не влияет на его защитные функции); в момент t1 164


Статор двигателя 

ЦВП Rут 

Заземляющий зажим пускателя 

Заземляющая жила питающего кабеля  Заземляющий зажим двигателя 

к

к заземляющему  зажиму корпуса  к реагирующему органу (РО)

Рисунок 4.12 – Схема подключения устройства отделения от сети обратного энергетического потока асинхронного двигателя (а); вариант цепи выявления оперативного параметра (ЦВП) устройства (б) [83] U1, В

60 – 40 – 20 –

Рисунок 4.13 – Осциллограмма напряжения на резисторе R4 цепи выявления оперативного параметра устройства отделения от сети обратного энергетического потока асинхронного двигателя при возникновении в момент t1 повреждения питающего кабеля 165


возникновения утечки тока на землю (через Rут) создаёт импульс напряжения U1 ограниченной длительности на резисторе R4, достаточный для приведения в действие реагирующего органа (РО) устройства отделения от сети обратного энергетического потока асинхронного двигателя (рис. 4.13) [84]. Возврат схемы в исходное состояние после срабатывания осуществляется за счёт шунтирования конденсатора С1 дополнительным контактом исполнительного устройства. W2

SA1

КМ1

SA2

Ws

Rут

АЗ БЗО

SF1

Потребитель №1

К БКЗ

КМn

SF1

Ws

Потребитель №n

Рисунок 4.14 – Обобщённая схема электротехнического комплекса шахтного участка при применении устройств отделения от сети обратных энергетических потоков асинхронных двигателей

Обобщённая структура участкового электротехнического комплекса шахты при условии применения автономных устройств защитного отделения обратных энергетических потоков АД (рис.4.14) иллюстрирует принцип реализации двустороннего обесточивания участковой электросети в случае возникновения цепи утечки на землю (или возникновения повышенной междуфазной проводимости, что также сопровождается возникновением цепи утечки тока на землю), Структура аппарата защиты (АЗ) от утечек тока на землю в зависимости от конкретного типа применяемого устройства защиты может иметь некоторые отличия. Обязательным же является примене166


ние в конструкции АЗ блока защитного отключения (БЗО) и компенсатора (К). АЗ, адаптированные к напряжению 1140 В, реализуют функцию выявления и закорачивания на землю повреждённой фазы (блок БКЗ) в момент защитного отключения автоматического выключателя SA1 участковой КТП [85]. Параметры тока в цепи утечки на землю определяются исследованием схемы замещения (рис. 4.15) с учётом зависимостей (4.6), которые в соответствии с законами Кирхгоффа описывают процессы в системе:

1 ⎧ = i ⎪ 1 R C ∫ i2 dt из из ⎪ 1 ⎪ = i ⎪ 2 R (uф − Rиз i1 ) − i1 − i3 − i4 ут ⎪ ⎪i = i dt ⎪3 ∫ п ⎨ ⎪i = 1 i dt ⎪ п Lдр Сиз ∫ 2 ⎪ ⎪ ⎞ 1 ⎛ 1 ⎜ ⎟⎟ = − i L i i dt 4 др п ⎪4 ∫ ⎜ Rд ⎝ Сиз ⎠ ⎪ ⎪⎩iв = i1 + i2 + i3 + i4 R из ф

UA R1

R из ф

UB R2

R из ф

UC Сд

(4.6)

R3

С из ф

С из ф

R ут iут R из uф

С из

i1

L др

i2

R д1

i3 С д1

R дn

i41

i 4n С дn

С из ф

VD1

R ут

б)

a)

Рисунок 4.15 – Схема замещения системы (а) и эквивалентная схема замещения (б) цепи однофазной утечки тока сна землю с учётом цепи выявления оперативного параметра (ЦВП) и устройства компенсации ёмкостной составляющей тока утечки 167


При условии применения БКЗ (в АЗ типов РУ-1140 и АЗУР-4) учитывается время обесточивания цепи утечки тока на землю (Rут) на интервале времени замкнутого состояния соответствующего контакта короткозамыкателя БКЗ от момента t2’’ его срабатывания по команде БЗО (спустя время 0,17 с [6]) до момента t2’ (рис. 4.17) разъединения силовой контактной группы автоматического выключателя SA2 распределительного пункта участка или контактора КМ1 пускателя аварийного присоединения. Анализ диаграмм тока утечки на землю iут и накопления количества электричества q через сопротивление цепи утечки при наличии устройств отделения от сети обратного энергетического потока АД в каждом присоединении (рис. 4.16; рис. 4.17) позволяет сделать вывод о возможности поддержания количества электричества через человека в сети 660 В и 1140 В в пределах нормированной величины (q < 50 мА*с). iут

iут

iут

iут

Рисунок 4.16 – Диаграммы, характеризующие ток утечки iут и накопление количества электричества q через сопротивление утечки в ЭТК УШ напряжением 660 В при автокомпенсации ёмкостной составляющей тока утечки (АЗУР-1): а) без учёта наличия устройства подавления обратного потока в каждом присоединении; б) с учётом наличия устройства подавления обратного потока в каждом присоединении 168


iут

iут

iут

iут

Рисунок 4.17 – Диаграммы, характеризующие ток утечки iут и накопление количества электричества q через сопротивление утечки в ЭТК УШ напряжением 1140 В при наличии статической компенсации ёмкостной составляющей тока утечки, выявления и замыкания на землю повреждённой фазы (РУ-1140): а) без учёта наличия устройства подавления обратного потока в каждом присоединении; б) с учётом наличия устройства подавления обратного потока в каждом присоединении

4.4 Электробезопасность эксплуатации асинхронного двигателя

двухскоростного

Перспективным направлением в области создания шахтных скребковых конвейеров является применение двухскоростных асинхронных двигателей. Они содержат на одном магнитопроводе две трёхфазные статорные обмотки (в каждой – соединение по схеме «звезда») 1 и 2 (рис. 4.18; рис. 4.19) с четырьмя и двенадцатью полюсами и позволяют получать синхронные угловые скорости вращения ротора, соответственно, 1500 об/мин и 500 об/мин. Это существенно повышает безопасности эксплуатации конвейера: пуск конвейера с кратковременной ступенью пониженной (в 3 раза) скоростью тягового органа; вспомогательные операции по доставке оборудования и матероиалов в очистной забой на малой скорости. 169


КАТУШЕЧНАЯ ГРУППА КАТУШЕЧНАЯ ГРУППА

а)

б)

Рисунок 4.18 – Схемы обмоток статора двигателя серии ЭДКВФ: а – обмотка номинальной скорости (количество полюсов 2р = 4); б – обмотка пониженной скорости (количество полюсов 2р = 12)

1 2

Рисунок 4.19 – Конструкцтя двухскоростного асинхронного двигателя серии ЭДКВФ

Эксплуатация двухскоростного АД в условиях шахтного участка отличается определёнными особенностями, которые необходимо учитывать с целью обеспечения безопасности персонала от электропоражения. В частности, наличие двух отдельных обмоток на одном магнитопроводе создаёт трансформаторный эффект при включении одной обмотки, что может привести к возникновению такого опасного состояния, как электропоражение человек в случае касания фазы отключенной обмотки статора. Этот вид опасности имеет место, несмотря на наличие в шахтной участковой электросети средств защи170


ты от утечек тока на землю, т.к. действие этих средств не распространяется на контроль состояния отключенной обмотки статора двухскоростного двигателя из-за отсутствия электрической связи между обмотками его статора (рис. 4.20). Поэтому актуально определение фактора опасности электропоражения человека от трансформаторной ЭДС отключенной обмотки статора двухскоростного АД. TV

КМ 1

SA

Zгк 1

uф Zтр КТП

ГК1

Rs 1

Ls 1

Rиз ф 1 Сиз ф 1

АЗУР КМ 2

Zгк 2

Rr, Lr

ГК 2

Rs 2

Ls 2

Rиз ф 2 Сиз ф 2 Рисунок 4.20 – Возникновение утечки тока на землю в присоединении статора двухскоростного АД

Экспериментально [86] полученные диаграммы изменения ЭДС АД типа ЭКВФ-355L12/4 (рис. 4.21) в отключенной обмотке статора при электропитании другой свидетельствуют, что при работе АД с номинальной угловой скоростью в обмотке пониженной скорости (ОПС) генерируется трёхфазная ЭДС, представляемая двумя составляющими: высокочастотной с частотой f1 = 1650 Гц и амплитудой Um1 ≈ 100 В, и несущей с частотой f2 = 143 Гц и амплитудой Um2 ≈ 142 В (рис. 4.21,а). При подключении ОПС к питающей сети в обмотке номинальной скорости (ОНС) генерируется ЭДС частотой f = 650 Гц (рис. 4.21,б). Определённые действующие значения индуктируемых ЭДС в фазах отключенных от сети питания обмоток статора – 171


следующие: в обмотке пониженной скорости ЕОПС=145 В; в обмотке номинальной скорости ЕОНС=33 В.

Рисунок 4.21 – Осциллограммы вторичных ЭДС АД в обмотках пониженной (а) и номинальной (б) скоростей

Повышенные частоты трансформаторных ЭДС определяют существенное снижение ёмкостных сопротивлений изоляции кабелей, присоединённых к соответствующим обмоткам статора, что, с учётом величин этих ЭДС и при условии касания человеком токоведущих проводников кабеля отключенной обмотки статрора двухскоростного АД, создаёт опасностьє электропоражения (рис. 4.22) [26]. Момент возникновения цепи утечки тока на землю в присоединении отключенной обмотки статора малой скорости двухскоростного АД

Рисунок 4.22 – Диаграммы изменения количества электричества в цепи утечки тока на землю в отключенной обмотке малой скорости двухскоростного асинхронного двигателя ЭДКФВ315М12/4 , полученные моделированием 172


Принцип защиты от электропоражения в цепи отключенной обмотки статора двухскоростного АД поясняется из анализа схемы устройства (рис. 4.23). Статор 1

TV2 Rиз; Cиз “A» VD1

Rут

РО

«Земля» C1

TV1

Rиз; Cиз

SA

Статор 2 КТП

АЗ «Земля»

Рисунок 4.23 – Схема устройства выявления утечки тока на землю в присоединении отключенной обмотки статора двухскоростного асинхронного двигателя

Контроль состояния изоляции сети, находящейся под напряжением, обеспечивается аппаратом АЗ защиты от утечек тока на землю (в составе комплектной трансформаторной подстанции КТП). При условии применения устройства выявления утечки тока на землю в присоединении отключенной обмотки статора («Статор1») двухскоростного АД постоянный оперативный ток АЗ будет подаваться в присоединение отключенной обмотки статора «Статор1» через первичную обмотку трансформатора TV2. Поэтому в случае касания человеком фазного проводника присоединения этой обмотки (создания цепи утечки тока на землю Rут) должно произойти срабатывание АЗ, что приведёт к отключению автоматического выключателя SA КТП. 173


Одновременно, защитное действие относительно состояния цепи утечки тока на землю состоит в её обесточивании путём отключения от сети энергетического потока от отключенной от сети обмотки статора «Статор1» двухскоростного АД как во время питания другой статорной обмотки («Статор2»), так и после её отключения на интервале пребывания двигателя в состоянии свободного выбега. С этой целью должен быть сформирован соответствующий информационный сигнал в качестве команды на защитное отделение энергетического потока от цепи Rут утечки тока на землю. В момент появления этой цепи с учётом наличия трёхфазной трансформаторной ЭДС в отключенной обмотке «Статор1» появляется цепь кратковременной проводимости через часть первичной обмотки трансформатора TV2, конденсатор С1, диод VD1, контур заземления, цепь Rут утечки тока на землю и соответствующую фазу отключенной от сети статорной обмотки «Статор1». В этом случае на выходе вторичной обмотки трансформатора TV2 создаётся импульсный сигнал, который может быть использован как команда на срабатывание реагирующего органа (РО) – элемента управления коммутационным аппаратом защитного отключения от цепи Rут утечки тока на землю энергетического потока отключенной от сети обмотки «Статор1» АД. Выявление состояния утечки тока на землю в отключенной обмотке «Статор1» будет иметь место и в случае, если эта утечка произошла, когда двигатель находился в режиме свободного выбега после отключения от источника электропитания. В этом случае источником импульса в цепи кратковременной проводимости, созданной соединением конденсатора С1 и диода VD1 между выводом «А» обмотки трансформатора TV2 и зажимом заземления будет выступать трёхфазная обратная ЭДС, индуктируемая в обмотках статора АД вращающимся полем токов его ротора на интервале свободного выбега. Применение указанного устройства защиты должно согласовываться с функционированием участкового аппарата защиты от утечек тока на землю (АЗ), который создаёт в трёхфазной электросети и цепи заземления постоянный оперативный ток и управляет отключением автоматического выключателя SA в случае превышения оперативным током предельно допустимой величины. Схема присоединения конденсатора С1 последовательно в цепь выявления информационного параметра и подключение диода VD1 катодом к зажиму заземления исключает воздействие устройства вы174


явления утечки тока на землю в присоединении отключенной обмотки статора двухскоростного АД на работу АЗ, что поясняется следующим. Цепь, созданная конденсатором С1 и диодом VD1 позволяет установить момент возникновения состояния утечки тока на землю в кабельном присоединении отключенной обмотки статора двухскоростного АД с формированием соответствующего сигнала на выходе реагирующего органа (РО) как в процессе работы этого двигателя (при электропитании другой статорной обмотки), так и после отключения АД от источника электропитания, когда двигатель в состоянии свободного выбега. В то же время, эта цепь препятствует протеканию оперативного тока АЗ на вывод «А» первичной обмотки трансформатора TV2 в обход сопротивлений и ёмкостей изоляции Rиз; Сиз и сопротивления цепи Rут утечки тока на землю. Таким образом, конденсатор С1 и диод VD1 отделяют силовые цепи электропитания двигателя от его заземлённого корпуса (зажима заземления), что соответствует принципу изоляции обмотки статора двигателя от элементов заземления сети в рабочем режиме эксплуатации. Приведенное устройство выявления состояния утечки тока на землю в кабельном присоединении отключенной обмотки статора двухскоростного асинхронного двигателя обеспечивает распространение функции защиты от утечек тока на землю на силовые присоединения отключенной от сети электропитания обмотки статора двухскоростного асинхронного двигателя, в которой генерируются трансформаторные ЭДС с частотой и величиной, опасными по фактору электропоражения человека как во время электропитания другой статорной обмотки, так и после отключения асинхронного двигателя от источника электропитания – на интервале пребывания в состоянии свободного выбега. 4.5 Индукционно-динамическое торможение асинхронного двигателя как средство прекращения действия обратного энергетического потока Динамическое торможения асинхронного двигателя применяют для управления процессом остановки электропривода горной машины (в т.ч., - экстренной остановки). Этот режим предполагает отключение его от сети трёхфазного напряжения промышленной частоты и подачу на две его фазы постоянного тока (рис. 4.24). Интенсивность 175


торможения обусловливается величиной критического тормозного момента Мкт АД, который, в свою очередь, пропорционален квадрату эквивалентного тормозного тока Іэкв двигателя:

М кт =

2 х μ2 3І экв

2ω0 ( х μ + х 2' )

,

(4.7)

где ω0 - синхронная частота вращения ротора АД; Хμ = Е’20/Іμ реактивность намагничивания; Х’2 - приведенное активное сопротивление ротора АД.; Е’20 – приведенная вторичная ЭДС при синхронной угловой скорости ротора; Іμ – намагничивающий ток. трёхфазная сеть

ω

УВ _ КМ1

М

+

КМ2

3

4

В

1

А

2

а) 0

М

б) Рисунок 4.24 – Схема переключения (а) асинхронного двигателя (М) в режим динамического торможения и механические характеристики (б) АД в процессе перехода с двигательного режима в режим динамического торможения: КМ1; КМ2 – контакторы; УВ – управляемый выпрямитель; 1 – естественная механическая характеристика двигательного состояния; 2-4 – характеристики динамического торможения асинхронного двигателя 2 - дополнительное сопротивление ротора rr1 ; тормозной ток Iт1 3 - дополнительное сопротивление ротора rr2 > rr1; тормозной ток Iт1 4 - дополнительное сопротивление ротора rr1; тормозной ток Iт2 > Iт1

Поскольку сразу после отключения АД от трёхфазного напряжения питания на его статоре формируется обратная ЭДС вращения (евр), величина её будет препятствовать прохождению постоянного тока динамического торможения (ограничивать его величину). Ре176


жим индукционно-динамического торможения АД отличается тем, что на его начальном этапе создаётся контур подавления обратной ЭДС, в котором эта ЭДС создаёт в фазах статора выпрямленный ток того же направления, что и ток динамического торможения. Поскольку индукционно-динамическое торможение сопровождается устранением обратного энергетического потока асинхронного двигателя, этот процесс можно рассматривать в контексте реализации функции обесточивания цепи повышенной междуфазной проводимости (или цепи тока утечки на землю) в кабеле питания статора. Процесс индукционно-динамического торможения обеспечивается силовой тиристорной схемой в цепи статора асинхронного двигателя (рис 4.25) и предполагает чередование состояний динамического (ДТ), индукционного (ИТ) и, собственно, индукционнодинамического (ИДТ) торможения двигателя [57, 58]. еврАВ

евр ВС

евр АС Рисунок 4.25 – Расчётная схема для исследования процесса индукционнодинамического торможения асинхронного двигателя

Ток динамического торможения создаётся посредством подачи на статор через тиристоры VS1 и VS2 полуволн линейного напряжения UАВ сети. Эффект индукционного торможения создаётся при замыкании через тиристор VS3 ЭДС вращения (eвр) ротора АД. Процесс индукционно-динамического торможения иллюстрируется диаграммами соответствующих параметров асинхронного двигателя и питающей сети (рис. 4.26). На интервалах динамического торможения полярности uAB и eвр одинаковы. При этом uAB >eвр. Начало ДТ определяется углом отпира177


ния α тиристоров VS1 и VS, а окончание - углом их проводимости β. Тормозной ток i определяется разницей между мгновенными значениями uAB и eвр. uAB; eвр ; iТ

Im ДТmax

0,02c

Im ДТуст

Im ИТmax іТ

u

Im ДТ Im ИТ

u

UmAB

евр

t

00 α

Рисунок 4.26 – Диаграммы формирования тока статора асинхронного двигателя в процессе его индукционно-динамического торможения

ir T

H

+ LH diT / dt = u AB − eоб ( AB ) ,

(4.8)

где rн; Lн – общие сопротивление и индуктивность цепи протекания тормозного тока. На интервале ИТ тиристор VS3 находится в проводящем состоянии, в то время, как, тиристоры VS1 и VS – в непроводящем. Величина тормозного тока iТ определяется мгновенными значениями ЭДС вращения двигателя (eвр):

i r + L di / dt = e T

H

H

T

вр ( AB )

,

(4.9)

На каждом из интервалов ДТ и ИТ величина ЭДС вращения определяется соответствующими её амплитудой (Евр mi) и начальной фазой ( γ ): 178


e

врi

=

E

врmi

sin (ωbi t + γ ) ,

(4.10)

где ω bi = ω 0 (1 − s ) - угловая частота ЭДС вращения, соответствующая i-му интервалу торможения, снижается, окончательно, до нуля. По мере снижения угловой скорости асинхронного двигателя снижается амплитуда и частота его ЭДС вращения, и наступает состояние, когда полярности uAB и eвр будут отличными одна от другой. В этом случае тиристоры VS1; VS2; VS3 будут находиться в открытом состоянии, а тормозной ток двигателя iТ будет определяться суммой абсолютных величин мгновенных значений uAB и eвр (интервал ИДТ):

i r + L di / dt = u T

H

H

T

AB

+

e

вр ( AB )

,

(4.11)

Выражения (4.8; 4.9; 4.11) решаются поэтапно в порядке появления интервалов с характерными, рассмотренными выше состояниями торможения. При этом учитываются соответствующие начальные условия, величина и частота ЭДС вращения асинхронного двигателя. Принципиальным положением является то, что ЭДС вращения определяет величину тормозного тока АД, который обусловливает интенсивность снижения угловой скорости ротора и, в свою очередь, - определяет параметры снижения величины этой же ЭДС вращения. Естественно, на величину тормозного тока АД существенно влияет величина угла α отпирания тиристоров VS1 и VS2. Процесс снижения амплитуды тока индукционного торможения (и, соответственно, амплитуды ЭДС вращения АД, индуктируемой в статоре) описывается уравнением (рис. 4.27) [58]:

I

mIT

=

І

mIT max

(1 −

е

− q /( 0 ,1 + hx )

1,7

),

(4.12)

где х – безразмерная величина, пропорциональная времени протекания режима торможения (х = 2887 t); коэффициенты находятся в функциональной зависимости от угла α отпирания тиристоров VS1 и VS2. Коэффициент q, определяющий общую интенсивность изменения токов индукционного и динамического торможения: q = 715(4,5E-0,2+(1E-0,6)α2+(1E-10)(1,43α)4), 179

(4.13)


Коэффициент h определяет начало интенсивного снижения тока индукционного торможения. h = 0,113+(1E-12)α2+(3E-11)( α /130)(1,67α)4 ,

I*m

I*mДТ1

(4.14)

I*mДТ2

1,0

0,5

I*mИТ1 I*mИТ2

0

0,05

0,1

t, c

Рисунок 4.27 – Диаграммы изменения амплитуд токов индукционного и динамического торможения асинхронного двигателя (в относительных единицах); индекс 1: h = 0,13; α= 110 эл. град; q = 80; индекс 2: h = 0,114; α= 20 эл. град; q = 30

Іm ДТmax

Іm ДТуст

Іm ИТmax 460А Um н 380√2, В

е вр

а

0,02 с

t

t б Рисунок 4.28 – Осциллограммы фазного тока (а) и напряжения (б) статора асинхронного двигателя КОФ-32 (мощностью 32 кВт) на интервале его перевода в режим индукционно-динамического торможения 180


Таким образом, режим индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя кроме функции управления остановкой электропривода поддерживает функцию ускоренного снижения до нуля обратной ЭДС, индуктируемой в статоре (рис. 4.28). Поэтому данный режим может быть применён для отделения от сети обратного энергетического потока АД при защитном отключении сети. Техническая реализация рассмотренного принципа применена, в частности, в аппарате управления торможением горной машины АТЭМ, в аппарате АПМ-1 управления пуском электропривода горной машины и т.п (рис. 4.29) [57]. Торможение начинается отключением всех тиристоров регулятора напряжения ТРН и в дальнейшем, обеспечивается проводящим состоянием тиристоров VS3; VS32; VS7, Вход при этом последний отпирается при условии отсутствия тока в тиристорах VS1 и VS4. VS1 VS2 VS3 VS4 VS5 VS6 Задержка во времени на начало процесса индукционно-динамического торможения неТРН VS7 обходима для исключения условий появлеКМ1 ния короткого замыкаВыход ния в случае отпирания тиристора VS2 при наРисунок 4.29 – Силовая схема АПМ-1: ТРН – тиристорный регулятор напряжения; личии тока в сети конКМ1 – шунтирующий контактор тактора КМ1. 4.6 Принудительное отключение контакторов магнитных пускателей как средство повышения быстродействия обесточивания участковой электросети

Наличие в участковой электросети обратных ЭДС асинхронных двигателей в начальное время после отключения напряжения питания обусловливает задержку отключения контакторов магнитных пускателей. Поэтому сокращение времени протекания тока в сети при по181


вреждении силового присоединения может быть достигнуто при условии применении принудительного отключения контактора пускателя в случае отключения сети электротехнического комплекса со стороны участковой комплектной трансформаторной подстанции Соответствующее устройство управления принудительным отключением контактора пускателя представлено схемой (рис. 4.30) [87]. БДТ1

СК

Трансформатор КТП

БДТ2

КНО1

SA

РПНН КТП

КНО2

АЗУР Транзитная магистраль

КМ

Пn АД =1

D1

D2

П2

КМn

П1 КМ2

isn ИУ

АДn

БДУ

КМ1

is2 Rу

АД2

is1 АД1

а) б) Рисунок 4.30 – Упрощённые структурные схемы: а) устройства принудительного отключения пускателя; б) электроснабжения участка шахты

Эта функция может быть реализована при условии модернизации пускателя (рис. 4.31). В частности, подключение вводного и отходящего кабеля транзитной магистрали к силовым контактам (СК) присоединения в сетевом отделении кабельного ввода пускателя может быть осуществлено последовательно через блоки датчиков тока (БДТ1 и БДТ2). Компараторы - нуль-органы (КНО1 и КНО2) предназначены для формирования сигналов логической «единицы» при наличии тока в кабеле, контролируемом соответствующим блоком датчиков тока. При отключении питающей трансформаторной подстанции прекращается ток во вводном кабеле пускателя, в то время, как в силовой цепи контактора (КМ) и в отходящем кабеле магистрали будет протекать уравнительный ток, созданный обратными ЭДС двигателей потребителей. В этом случае на выходах блоков БДТ1 и БДТ2 будут сформированы, соответственно, логический «нуль» и логическая «единица». Эти сигналы подаются на входы элемента «Исключающее ИЛИ» (D1) и обусловливают формирование логической 182


«единицы» на его выходе и импульса заданной продолжительности на выходе одновибратора (D2). Это создаёт возможность исполнительному устройству (ИУ), выполненному на релейной или полупроводниковой ключевой схеме, разорвать цепь питания катушки контактора КМ в блоке дистанционного управления (БДУ) и, тем самым, осуществить принудительное отключение контактора пускателя в момент отключения напряжения сети со стороны питающей трансформаторной подстанции. 2

1

1

3

Рисунок 4.31 – Пример размещения блоков датчиков тока (БДТ) 1 устройства принудительного отключения контактора в сетевом отделении пускателя: 2 – силовые проходные зажимы кабельного ввода; 3 – проходные зажимы для присоединения контрольних цепей

Таким образом, защитное отделение от сети обратных энергетических потоков асинхронных двигателей в случае возникновения аварийного (опасного) состояния участковой шахтной электросети может быть осуществлено за счёт применения автономно действующих защитных устройств со стороны силовых присоединений статоров асинхронных двигателей и может быть реализовано при условии соответствующего усовершенствования схемы электротехнического комплекса шахтного участка. Вариантами способов отделения от сети обратных ЭДС АД (рис. 4.32) следует считать разъединение трёхфазной схемы статорной обмотки двигателя; отключение присоединения кабеля непосредственно на вводе статора. Дополнительным защитным средством может быть принудительное отключение контактора пускателя в момент отключения напряжения питания сети. 183


SA

TV

Zмк

МК

КМ 1

Zгк 1

ГК1

Zs

SF

АД1 УЗ

БДТ1

Zтр

РПНН КТП

Rиз ф Сиз ф

ИУ БДТ2

ротор

а)

Rиз ф 1 Сиз ф 1 ЗОП

ПОК

КМ 2

Zгк 2

ГК 2

КМ 2.1

АД 2

Rиз ф 2 Сиз ф 2 УЗ

б) КМ n

Zгк n

ГК n

ЗОП

АД n

Rиз ф n Сиз ф n

Рисунок 4.32 – Варианты применения технических решений по совершенствованию электротехнического комплекса шахтного технологического участка на основе применения отделения от сети обратных энергетических потоков асинхронных двигателей и принудительного отключения контакторов магнитных пускателей: а) выявление информационного парметра между «звездой» обмоток статора и землёй; б) выявление информационного парметра между «звездой» резисторов цепи статора и землёй

Вопросы для самоконтроля 1. Какие факторы обусловливают формирование обратных энергетических потоков асинхронных двигателей? 2. В чём состоит опасность воздействия обратных энергетических потоков асинхронных двигателей на кабельную сеть и коммутационную аппаратуру шахтных участковых электротехнических комплексов? 3. Каким образом обратные энергетические потоки группы асинхронных двигателей потребителей могут создавать обобщённую обратную ЭДС и уравнительные токи в электротехническом комплексе шахтного участка после его отключения от источника электропитания? 184


4. В чём состоит устройство и проблематика применения системы опережающей защиты рудничных электроустановок на основе быстродействующего отделения от сети энергетических потоков искусственным созданием цепей короткого замыкания со стороны питающей трансформаторной подстанции и асинхронных двигателей потребителей в момент защитного отключения сети? 5. В чём состоит принцип выявления аварийного состояния кабеля питания электропотребителя при использовании автономных средств контроля со стороны вводов статора его асинхронного двигателя? 6. Как осуществляется принцип автоматического двустороннего защитного обесточивания шахтной участковой электросети на основе отделения от сети обратных энергетических потоков асинхронных двигателей? 7. В чём состоит влияние средств автоматического защитного отделения от сети обратных энергетических потоков асинхронных двигателей на параметры электробезопасности эксплуатации шахтной участковой электросети (на примере реагирования на возникновение цепи утечки тока на землю)? 8. Каковы устройство, особенности эксплуатации двухскоростного асинхронного двигателя, включая его свойства создавать угрозу электропоражения в сети отключенного статора (при отсутствии средств контроля и защитного обесточивания)? 9. Раскрыть принцип действия средства автоматического выявления цепи утечки тока на землю в сети отключенной обмотки статора работающего двухскоростного двигателя. 10. В чём состоит принцип индукционно-динамического торможения асинхронного двигателя в контексте его применения для отделения от сети обратного энергетического потока со стороны статора? 11. Обосновать целесообразность и раскрыть проблематику применения принудительного отключения контактора пускателя при отключении напряжения питания сети. Привести пример устройства принудительного отключения контактора магнитного пускателя.

185


Приложение 1 Техническая характеристика устройства максимальной токовой защиты УМЗ Номинальное напряжение электрических аппаратов, которыми осна360; 660; щается блок защиты, В 1140 Номинальные токи электрических аппаратов, которые оснащаются 25; 63; 125; блоком защиты, А 250; 315 Собственное время срабатывания защиты (мс) при кратности первичного тока трансформатора тока к току уставки: ≤60 1,5 ≤25 5 Диапазон регулирования уставок (А) для электрических аппаратов 63-187 на номинальные токи, А: 25 125-375 63 250-750 125 500-1500 250 800—2400 315 Погрешность тока срабатывания (%) на каждой уставке при наклоне блока в любом направлении до 30° и при температуре окружающей ± 10 среды, °С: 25 ± 10 ± 15 от – 10 до + 15 и от + 35 до +60 Механическая и коммутационная износостойкость, число срабатываний 6300 Габаритные размеры блока, мм 110х120х210 Масса блока, кг 2,5 Величины токов уставок УМЗ (А), соответственно номеру уставки 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Номинальный ток коммутационного аппарата 25 А ( трансформатора тока ТТЗ-25) 63

75

87

100

112

125

137

150

163

175

187

Номинальный ток коммутационного аппарата 63 А ( трансформатора тока ТТЗ-63) 125

150

175

200

225

250

275

300

325

350

375

Номинальный ток коммутационного аппарата 125 А ( трансформатора токаТТЗ-125) 250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

Номинальный ток коммутационного аппарата 250 А ( трансформатора тока ТТЗ-250) 500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

Номинальный ток коммутационного аппарата 320 А ( трансформатора тока ТТЗ-320) 800

900

1120

1280

1440

1600

186

1760

1920

2080

2240

2400


Приложение 2 Компоновка структурных элементов в устройстве максимальной токовой защиты УМЗ [16]

а

б

в

г

а – общий вид; б – реле исполнительное; в – положение елементов отключающего механизма после срабатывания защиты; г – разрез блока УМЗ

1 – тумблер; 2 – рукоятка уставок защиты; 3 – шкала уставок; 4 – фиксатор; 5 – шпилька; 6, 9, 10 – винты; 7 – ручка для переноски блока; 8, 11, 18 – пружина; 12 – вал; 13 – ось; 14 – катушка реле; 15 – панель передняя; 16 – панель диодов; 17 – фиксатор; 19 – шток; 20 – панель; 21 – панель с контактными кольцами; 22 – легкосъёмный пылевлагозахщищённый корпус; 23 – контактная установочная панель с контактными губками; 24 – уплотняющее кольцо; 25 – кнопочный элемент; 26 – толкатель взвода отключающего механизма 187


Приложение 3 Технические характеристики токовой защиты типа БТЗ-М [43] Наименование параметра Напряжение питания, В Время срабатывания на отключение, с, не более Номинальный ток исполнительного реле, А Напряжение контактов исполнительного реле, В, не более Коммуникационный интерфейс

Величина 9...36 DC, або 18...24 AC 0,040 12 А (для 125 В); 5А (для 250В) 125 ... 250

RS485, искробезопасный, изолированный с внешним питанием от искробезопасного источника 9...24 V DC, iпотреб. < 15 mA Протокол MODBUS RTU Скорости коммуникации (задаются 2400 ... 115200 бод; переключателями) Диапазон адресов (задаётся пере- 1 ... 33 (всего 32 адреса) ключателями) Разъёмы для электрического под- COMBICON, 5 mm ключения Размеры блока (ДхШхВ), mm 75х40х145 Вес, кГ, не более 0,3

Рисунок П 3.1 Общий вид блока БТЗ-М

188


Приложение 4 Параметры коммуникационного порта блока БТЗ-М [43]

Коммуникационный порт предназначен для коммуникации блока токовой защиты БТЗ-М с управляющим контроллером через интерфейс RS485 протокол MODBUS RTU. Порт изолирован от схемы питания БТЗ, однако потребляет напряжение питания 9 ... 24 В от внешнего источника постоянного тока с искробезопасными параметрами. Адресное пространство блока задаётся переключателями адресов 5.4.3.2.1 по формуле: ADR=1+ ADR 5.4.3.2.1 [1...33dec]. Скорость коммутации так же задаётся переключателями из ряда 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 76800, 57600, 115200 бод. Параметры, доступные по коммуникации 0хFE Параметр аварии 0xFF Код аварии (для сброса аварий – записать ”0”) 0 – Отсутствие аварии 1- Максимальная токовая защита 2- Недопустимая асимметрия фаз 3-Тепловая защита 4- Превышение продолжительности пуска 255 – для использования потребителем

Измерения 0х100 Ток, А 0х101 Асимметрия фаз, % 0х102 Параметр тепловой модели в % от номинального тока 0х103 ; 0х105 Резерв 0х104 Продолжительность последнего пуска 0х106 Ток фазы „А” 0х107 Ток фазы „В” 0х108 Ток фазы „С”

Уставки 0х120 Максимальная токовая защита, А 0х121 Допустимая асимметрия фаз (во время пуска защита от асимметрии фаз не действует), % 0х122 Время, в течение которого асимметрия фаз не учитывается 0х123 Номинальный ток, А 0х124 Количество фаз 0х125 Максимальная продолжительность пуска, mс ( 0- отключение защиты превышения продолжительности пуска) 0х126 Максимальное напряжение (резерв) 0х127 Максимальная температура (резерв) 0х128 Отношение пускового тока к номинального. Параметр необходим для определения времени пуска двигателя

Статистика 0х130 Количество пусковых циклов 0х131 Максимальный ток 0х132 Максимальная асимметрия 0х133 Максимальная продолжительность пуска 0х134 Максимальное смещение относительно нуля 0х135 Максимальное значение тепловой модели

189


Приложение 5 Схема подключения блока БТЗ-М [43]

~ 660 В

M1 TA1 TA2

R2

R1

А1 Х2.2

R1; R2 – 1,6 Ом; 2 Вт

Х1.1

Х1.2

Х1.3

Блок токовой защиты БТЗ-М

RS 485 Х2.5 искробезопасная цепь

Х2.1 Х1.7

Х1.8 Х1.6

Х2.7 Х2.4

~ 24 В

Х1.9

Х2.6

Х1.10

К цепям автоматики

24 В

+ 24 В

искробезопасная цепь № вывода Назначение разъёма Х 1.1 Выход датчика тока фазы „А” Х 1.2

Выход датчика тока фазы „В”

Х 1.3

Общий датчиков тока

Х 1.6 Х 1.7 Х 1.8 Х 1.9 Х 1.10

Замыкающий контакт реле Переключающий контакт реле Размыкающий контакт реле Выход, открытый коллектор Эмиттер

№ вывода Назначение разъёма Х 2.1 ~ 12…36 В (питание) Х 2.2 ~ 12…36 В (питание) Х 2.4 Общий провод искробезопасного источника питания развязанного интерфейса Х 2.5 „плюс” интерфейса RS 485 Х 2.6 „минус” интерфейса RS 485 Х 2.7 +24 Ех – плюс искробезопасного источника для питания развязанного интерфейса

190


Приложение 6 Состояния DIP – переключателя для задания скорости коммутации и адреса коммутации (логические состояния: Off „0”; On - „1”) БТЗ-М [43] Пин 8

7 0 0 0 0 1 1 1 1

6 0 0 1 1 0 0 1 1

Скорость коммутации 0 1 0 1 0 1 0 1

5 0 0 0 0 0 1 1

- 2400 - 4800 - 9600 -19200 -38400 -57600 -76800 -115200

4 0 0 0 0 1 0 1

3 0 0 0 1 0 0 1

Адрес 2 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1

-1 -2 -3 -4 -5 -6 - 33

Приложение 7 Технические характеристики датчика–измерителя тока ДИТ-150М Наименование параметра, единицы измерения

Величина параметра

Номинальный измеряемый ток - в цепи постоянного тока - в цепи переменного тока

150 А 150 А (амплитудное значение)

Диапазон измерения тока

от 0 А до ±150 А

Номинальное выходное напряжение

1,5 В

Сопротивление нагрузочного резистора

не менее или равно 10 кОм

Коэффициент преобразования

10 мВ/А

Основная приведенная погрешность преобразования, при t=25 °С

не более или равно 1 % от Iном (150 А)

Дополнительная приведенная температурне более или равно 1 % от ная погрешность преобразования в диапаIном (150 А) зоне температур от -50 °С до +70 °С Неравномерность АЧХ в диапазоне частот не более или равно 10 % от 0 до 50 кГц Скорость нарастания входного тока

не менее или равно 50 А/мкс

Величина напряжения питания

±(15±1,5) В

Величина потребляемого тока

не более или равно 65 mА

Диэлектрическая прочность изоляции меж5 кВ(эфф. зн.)/50 Гц/1мин ду первичной и вторичной цепями 191


Приложение 8 Технические характеристики цифрового блока защиты для комплектных устройств во взрывобезопасном исполнении БТЗ-1; БТЗ-2; БТЗ-3 [42] Наименование параметров Величина показателей Номинальное напряжение питания, В 42 Номинальная частота, Гц 50 Допустимое отклонение напряжения питания, -40…+30 % Максимально допустимое превышение на50 пряжения питания (в течение 2 с), % Время срабатывания на отключение, с, не 0,1 более Номинальный ток исполнительных реле, А 5 Напряжение контактов исполнительных реле, 120 В, не более Габаритные размеры, мм 120х36х116 Масса, кг, не более 0,4 Уставки максимальной токовой защиты БТЗ; ПМЗ Номинальный ток пускателя, А Цифра 25 32 63 100 125 160 250 320 Уставка срабатывания, А 1(0)

63

64

125

200

250

320

500

800

2

78

86

156

250

312

430

625

1000

3

93

108

187

300

375

540

750

1200

4

109

130

218

350

437

650

875

1400

5

125

152

250

400

500

760

1000

1600

6

140

174

281

450

562

870

1125

1800

7

156

196

312

500

625

980

1250

2000

8

171

218

348

550

687

1090

1375

2200

9

187

240

375

600

750

1200

1500

2400

Уставка защиты от токовой перегрузки БТЗ; ТЗП Цифра

1(0)

2

3

4

5

6

7

8

9

Уставка, % от номинала

55

60

65

70

75

80

85

90

95

192


Приложение 9 Технические характеристики датчиков тока серии ДТ [http://ukrsk.com.ua/datchi_toka_dt_dt.html]

Датчики тока ДТ предназначены для применения совместно с блока защиты типа для БКЗ-3 и аналогичных средств защиты силовых присоединений распределительных сетей частоты 50 Гц с номинальным напряжением до 1140 В включительно от токов короткого замыкания и перегрузок и выполняют функцию формирования напряжения, пропорционального по величине току в первичной обмотке (шине) датчика.

Рисунок П 9.1 - Датчики тока серии ДТ

Параметры датчиков тока серии ДТ Выходное напряжение на зажимах вторичной обмотки с резистором нагрузки 840 Ом при номинальном токе в первичной обмотке (шине), В Тип датчика Номинальный Тип датчика ток, А ДТ-1 32/63 ДТ-4 ДТ-2 125 ДТ-5 ДТ-3 250/315 ДТ-8

193

7,2±0,4 Номинальный ток, А 250/400 500 800


Приложение 10 Технические характеристики блока комплексной защиты БКЗ-3МК [http://itep.com.ua/ru/catalogue/defence/bkz-3_mk]

Блок БКЗ-3МК предназначен для защиты подземных электросетей с изолированной нейтралью от токов короткого замыкания; для защиты электродвигателей от перегрузок с запоминанием режима перегрузки; для предварительного контроля сопротивления изоляции силового присоединения, отходящего от коммутационного аппарата. аппарата. Блок БКЗ-3МК адаптирован к подключению входных датчиков тока ДТ-1…ДТ-8 в качестве источников информационных параметров относительно величины тока защищаемой сети. Блок БКЗ-3МК встраивается в рудничные коммутационные аппараты управления и защиты. Номинальное напряжение питания блока БКЗ-3МК -36 В. Рисунок П10.1 - Устройство блока БТЗ-3МК Величины уставок токовой защиты Диапазон уставок максимальной токовой защиты Обозначения шкалы уставок 1 2 3 4 5 6 2 2,5 3 3,5 4 4,5 λ= І уст / І ном Диапазон уставок токовой защиты от перегрузок Обозначения шкалы уставок 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 λ= І уст / І ном 194

7 8 9 10 11 5 5,5 6 6,5 7 0,8 0,9 1.0 1.1 0,8 0,9 1.0 1.1


Общие технические характеристики № Наименование параметра Величина 1 Диапазон изменения напряжения сети от номи85% ÷ 110% нального 2 Величина уставок контролируемого сопротивления изоляции при номинальном напряжении, кОм: 2.1 - для сети с номинальным напряжением 660 В 35 ± 5* и 110 ± 10** 2.2 - для сети с номинальным напряжением 1140 В 110 ± 10* и 300 ± 80** 3 Собственное время срабатывания блока 3.1 при кратности первичного тока трансформатора 70 тока к току уставки 1,5 , мс, не более: 3.2 при перегрузках, равных 6-кратному значению 5 номинального тока защищаемого объекта, с, не более: 3,3 при перегрузках, равных 1,2 номинального тока 20 защищаемого объекта от холодного состояния, мин, не более 3.4 Время запоминания режима перегрузки, равного 2 1,2 Iном, мин, не более В цепь независимого расцепителя К датчикам тока (ДТ) Контакт реле ТЗП и КИ ТЗП КИ

Контакт реле МТЗ

МТЗ Деблокирование ТЗП (токовая защита от перегрузок Деблокирование защит

К размыкающему контакту контактора

Проверка КИ (контроль изоляции)

Рисунок П10.2- Схема подключения блока БКЗ-3МК 195


Приложение 11 Технические характеристики блока защиты БЗ-2 http://ukrniive.com.ua/ru/research/lowvoltage/bz2.htm

Блок защиты БЗ-2 предназначен для предупредительного контроля состояния изоляции, защиты от утечек тока на землю и коротких замыканий в цепях напряжения 36 (42) В, подключенных к взрывозащищённым аппаратам и опасных относительно воспламенения метано-воздушной среды и пожаров. Блок защиты БЗ-2 эксплуатируется как составляющая электрической схемы пускателей, комплектных устройств (станций) управления и т.п., где предусмотрен вывод напряжения 36 (42) В для питания внешних потребителей. Технические характеристики блока защиты БЗ-2 № Наименование параметра 1 Номинальное напряжение питания блока, В 2 Диапазон изменения рабочего напряжения от номинальной величины 3 Минимальное напряжение удержания, от номинальной величины 4 Ток коммутации цепей при напряжении 36 В, 50 Гц; cos φ = 0.6; не более, А 5 Собственное время срабатывания, с, не более 6 Сопротивление срабатывания в режиме непрерывного контроля изоляции, кОм 7 Сопротивление срабатывания в режиме предупредительного контроля изоляции, кОм. не более 8 Максимальная ёмкость защищаемой сети, мкФ 9 Уставки максимальной токовой защиты (МТЗ), кратные номинальному току защищаемой сети (Ін)

196

Величина 36 (42), 50 Гц от 85 % до 110 % 65% 2 0,1 3,3 150% уставки реле утечки 0,15 5-10


Функции схемы блока БЗ-2: - предварительный контроль сопротивления изоляции присоединения и разрешение на подачу напряжения на это присоединение при условии отсутствия повреждения изоляции; - непрерывный контроль изоляции защищаемого присоединения под рабочим напряжением и защита от утечек тока на землю в присоединении; - максимальная токовая защита электрического присоединения; - световая сигнализаРисунок П11.1 - Устройство блока БЗ-2 ция о срабатывании исполнительного реле.

„Проверка реле утечки”

Рисунок П11.2 – Схема внешних подключений блока БЗ-2 197


Приложение 12 Структурная схема и свойства оптического датчика напряжения [65]

Работа оптического датчика напряжения основана на эффекте Поккельса, состоящем в создании двойного смещения излучения в оптических средах при наложении постоянного или переменного электрического поля, что характерно для кристаллических пьезоэлектриков: Δφ = π *L*K *E / λ , где L – толщина пластины;; K – электрооптический коэффициент; E – напряжённость электрического поля; λ – длина волны. Эффект находится в прямой пропорциональной зависимости от величины приложенного электрического поля. Напряжение рассчитывается на основе измерения датчиками напряжённости электрического поля в нескольких точках объекта.

Усилители Световод

Рисунок П12.1 – Упрощённая структурная схема оптического датчика напряжения с электронно-оптическим блоком

198


Приложение 13 Технические характеристики реле терморезисторной защиты РТ-М01-1-15 электродвигателей [71] Назначение – защита электродвигателей, другого электрооборудования от перегрева (не зависимо от величины тока в объекте защиты, класса изоляции). Позисторные термодатчики устанавливаются непосредственно на объекте защиты, подключаются к исполнительному реле. Повышение температуры объекта приводит к повышению сопротивления термодатчиков Напряжение питания реле (переменного тока), В 100; 220; или 380 Тип термодатчиков РТС-резистор (позистор) СТ14.2 Количество последовательно соединённых термодатчиков до 6 Сопротивление отключения реле, кОм 3,6 + 5% Сопротивление включения реле, кОм 1,6 + 5% Максимальное суммарное сопротивление датчиков < 1,5 кОм в холодном состоянии Контакты реле 1з + 1р Максимальный коммутируемый переменный ток, А 16 А / 250 В Максимальное коммутируемое напряжение, В 400

199


б а

Рисунок П 13.1 - Схема подключения позисторного термодатчика (а) к исполнительному термореле (б) типа РТ-М01-1-15

200


Рисунок П14.1- Принципиальная электрическая схема аппарата АЗУР – 4

Приложение 14

201


Приложение 15 Схемы внешних соединений аппарата АЗУР-4МК [48] к дополнительному заземл. „ДЗ”

виход резервной защиты

к килоомметру

«Сброс индикации Сеть 660/1140 В к кнопке „Проверка” к цепи „Земля”

виход резервной защиты

к „ДЗ” к килоомметру

„Сброс К независ. индикации” расцепителю

К независ. расцепителю

К нулевому расцепителю

К нулевому расцепителю

Сеть 660/1140 В

до кнопки „Перевірка” до ланцюга „Земля”

К источнику 127В

К источнику 127В

а)

б)

Информационный

„Состояние аппарата”

блок

в)

г)

а – вариант подключения неоновых ламп ТН-03-3; б – вариант подключения светодиодных коммутаторных ламп СКЛ-11. в – подключение информационного блока к разъёму Х6; г – подключение светодиодного индикатора к разъёму Х6

202


Приложение 16 Схема и технические возможности аппарата защитного отключения АЗО-6 [16]

Назначение аппарата АЗО-6 – контроль состояния изоляции высоковольтной сети – 6 кВ (выявления состояния, при котором появляется ток утечки на землю, превышающий максимально допустимый уровень), формирование команды на защитное отключение сети 6 кВ. При возникновении цепи утечки на землю оперативный ток АЗО-6 течёт от катода диода 4 через обмотку реле К1 на клемму (30) и далее – к общей точке соединённых по схеме «звезда» обмоток трансформатора питания сети напряжением 6000 В. Такое присоединение позволяет распределить оперативный ток АЗО-6 на все фазы защищаемой высоковольтной сети. Дальнейшим путём оперативного тока является цепь утечки на землю и зажим «заземление» аппарата АЗО-6. Срабатывание реле К1 произойдёт при превышении оперативным током величины срабатывания реле (0,03А), что соответствует активному сопротивлению изоляции высоковольтной сети, меньшему, чем 120 кОм. Время срабатывания реле К1 аппарата АЗО-6 не нормируется. Защитная функция аппарата АЗО-6 ограничивается контролем состояния изоляции высоковольтной сети и формированием команды на защитное отключение напряжения при возникновении цепи однодвух- или трёхфазной утечки тока на землю с сопротивлением утечки, не превышающим 120 кОм. Дополнительной функцией аппарата АЗО-6 является контроль наличия напряжения в сети и целостности цепи оперативного тока. При исчезновении напряжения питания или оперативного тока реле К2 обесточится и своим контактом замкнёт цепь реле К3, которое воздействует на высоковольтный коммутационный аппарат (выключатель), отключая его. Срабатывание реле К3 после исчезновения напряжения питания обеспечивается разрядом конденсатора С5.

203


PR1 К1

К2

L2 К2 L1

К2

К3

К1 К4

К4

К общей точке соединённых по схеме «звезда» обмоток трансформатора питания сети напряжением 6000 В

Рисунок П16.1 – Схема аппарата АЗО-6

204


Приложение 17 Тип реле РТ-40/2 РТ-40/6 РТ-40/10 РТ-40/20 РТ-40/50 РТ-40/100 РТ-40/200

Технические данные реле РТ-40 Уставки (А) по диапазонам І (последовательное соединение ІІ (параллельное соединение обмоток) обмоток) 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0 1,5; 1,8; 2,1; 2,4; 2,7; 3,0 3,0; 3,6; 4,2; 4,8; 5,4; 6,0 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0; 10,0 5 -10 10 - 20 12,5 - 25 25 - 50 25-50 50-100 50-100 100-20

Приложение 18 Технические характеристики комплектных трансформаторных подстанций типов ТСВП; КТПВ номинального напряжения первичной обмотки 6,0 кВ Наименование Номинальная мощность, кВА параметра 100 160 250 400 630 1000 Частота, Гц 50 0,4 0,4 0,4 0,4 0,69 0,69 Вторичное напряжение (U2хх) холостого хода, кВ 0,69 0,69 0,69 0,69 1,2 1,2 Активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора ТСВП (Rтр), Ом 0,0202 0,0118 0,0063 0,0036 U2хх = 0,4 кВ 0,0605 0,0353 0,0190 0,0107 0,0057 0,0035 U2хх = 0,69 кВ 0,017 0,0079 U2хх = 1,2 кВ Индуктивное сопротивление вторичной обмотки трансформатора ТСВП (Xтр), Ом 0,0518 0,0327 0,0213 0,0134 U2хх = 0,4 кВ 0,1553 0,0980 0,0639 0,0403 0,0258 0,0190 U2хх = 0,69 кВ 0,0776 0,0571 U2хх = 1,2 кВ Активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора КТПВ (Rтр), Ом 0,02619 0,01302 0,00762 0,00402 0,00619 0,00345 U2хх = 0,69 кВ 0,01872 0,01044 U2хх = 1,2 кВ Индуктивное сопротивление вторичной обмотки трансформатора КТПВ (Xтр), Ом 0,14041 0,10633 0,06813 0,04027 0,02645 0,02381 U2хх = 0,69 кВ 0,08000 0,07200 U2хх = 1,2 кВ Аналог участковых подстанций КТПВ-630/6-0,69; КТПВ-630/6-1,2; КТПВ-1000/6-0,69; КТПВ-1000/6-1,2 разработки УкрНИИВЭ, производства ООО «Донецкий энергозавод» по техническим характеристикам - подстанции, соответственно, - ВСТП--630/6-0,69; ВСТП-630/6-1,2; ВСТП-1000/6-0,69; ВСТП-1000/6-1,2 разработки и производства ООО «Донецкий электротехническиий завод». 205


Приложение 19 Технические характеристики шахтных кабелей Сечение, мм2

Номинальный Удельные параметры ток, А R, Ом/км X, Ом/км C, мкФ/км Кабели марок ВЭВПШв и ВЭВбШв на напряжение до 6,0 кВ 3х25+1х10 110 0,727 0,091 0,246 3х35+1х16 135 0,524 0,087 0,295 3х50+1х25 165 0,387 0,083 0,344 3х70+1х50 210 0,268 0,080 0,406 3х95+1х50 255 0,193 0,078 0,455 3х120+1х50 300 0,153 0,076 0,492 3х150+1х50 335 0,124 0,074 0,541 3х185+1х50 385 0,099 0,072 0,640 Кабели марок ЭВБВ; ЭВБВнг; ЭВБВк на напряжение до 6,0 кВ 3х16+1х6 98 1,15 0,102 0,234 3х25+1х10 126 0,727 0,091 0,246 3х35+1х16 152 0,524 0,087 0,295 3х50+1х25 182 0,387 0,083 0,344 3х70+1х35 235 0,268 0,080 0,406 3х95+1х35 283 0,193 0,078 0,455 3х120+1х35 327 0,153 0,076 0,492 Кабели марок ЭВБВ; ЭВБВнг; ЭВБВк на напряжение до 1,2 кВ 3х16+1х6 89 1,15 0,076 0,258 3х25+1х10 118 0,727 0,071 0,295 3х35+1х16 144 0,524 0,069 0,369 3х50+1х25 175 0,387 0,067 0,431 3х70+1х35 227 0,268 0,065 0,455 3х95+1х35 276 0,193 0,064 0,517 3х120+1х35 318 0,153 0,063 0,554 Кабели гибкие экранированные марки КГЭШ на напряжение до 1,2 кВ 3х6+1х4+3х2,5 58 3,100 0,095 0,270 3х10+1х6+3х2,5 75 1,960 0,092 0,345 3х16+1х10+3х2,5 105 1,220 0,090 0,363 3х25+1х10+3х2,5 136 0,767 0,088 0,424 3х35+1х10+3х2,5 168 0,539 0,084 0,520 3х50+1х10+3х2,5 200 0,394 0,081 0,670 3х70+1х10+3х2,5 250 0,281 0,079 0,870 3х95+1х10+3х2,5 290 0,202 0,078 1,150 3х120+1х10+3х2,5 325 0,190 0,076 1,320

206


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Правила технічної експлуатації електроустановок споживачів. Затв. 25.07.2006 № 258/ Міністерство палива та енергетики України. Х. Індустрія. 2007. – 272 с. 2. Saccomanno F. Electric Power Systems: analysis and Control / F. Saccomanno. – Wiley-IEEE Press, 2003. – 744 p. 3. Meier A.V. Electric Power Systems: A Conceptual Introduction / A.V. Meier. – Wiley-IEEE Press, 2006. – 328 p. 4. Справочник энергетика угольной шахты: в 2 т. / [Дзюбан В.С., Ширнин И.Г., Ванеев Б.Н., Гостищев В.М.]; под ред. Б.Н. Ванеева. − [2-е изд., перераб. и доп.]. − Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2001. − Т.1.: (Гл.1-21). – 477 с.; Т.2.: (Гл.22-44). – 440 с. 5. Савицкий В.Н. Комплексное устройство управления высокопроизводительными угледобывающими комплексами КУУВ500/500 / В.Н. Савицкий, С.Н. Окорочков, И.И. Иващик // Взрывозащищенное электрооборудование: сб. науч. трудов УкрНИИВЭ. − Донецк: ООО «Юго−Восток, Лтд», 2011. − С. 93-99. 6. Дзюбан В.С. Аппараты защиты от токов утечки в шахтных электрических сетях / В.С. Дзюбан. – М.: Недра, 1982. – 152 с. 7. Ягудаев Б.М. Защита от электропоражения в горной промышленности / Б.М. Ягудаев, Н.Ф. Шишкин, В.В. Назаров. – М.: Недра, 1982. – 152 с. 8. Nelson J.P. System Grounding, Ground Fault Protection and Electrical Safety. IEEE Press Series on Power Engineering / J.P. Nelson, P.K. Sen. – Wiley-IEEE Press, 2009. – 500 p. 9. Выключатели автоматические А3790. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. http://www.kontaktor.ru/upload/iblock/b63/a3790_to_ie.pdf 10. Маренич К.М. Електрообладнання технологічних установок гірничих підприємств: [підруч. для студентів вищих навч. закладів] / Маренич К.М., Калінін В.В., Товстик Ю.В., Лізан І.Я., Коломієць В.В. - Донецьк: ДонНТУ, Харків: УІПА, 2009 .-372 с. 11. Соболев В.В. Закономерности изменения энергии химической связи в поле точечного заряда / В.В. Соболев // Доп. НАН України. – 2010. – №4. – С. 88–95. 12. Русанов В.Д. Синтез окислов азота в неравновесных плазменных системах // Химия плазмы. Вып. 5 / В.Д. Русанов, А.А. Фридман, Г.В. Шолин; под ред. Б.М. Смирнова – М.: Атомиздат, 1978. – С. 222-241. 207


13. Ковалёва И.В. Анализ факторов воздействия при дугообразованиях в контексте моделирования коммутационных переходных процессов в силовой цепи электротехнического комплекса участка шахты / И. В. Ковалёва, В. В. Соболев // Наук. праці Донецького національного техн. університету, серія «Обчислювальна техніка та автоматизація». − Донецьк: ДонНТУ, 2010. − Вип. 19(171). − С.198205. 14. Дзюбан В.С. Взрывозащищенные аппараты низкого напряжения / В.С. Дзюбан. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с. 15. Справочник по взрывозащищенному электрооборудованию / [Пархоменко А.И., Дзюбан В.С., Ширнин И.Г., Маслий А.К.]; под ред. Пархоменко А.И. – К.: Техника, 1990. – 198 с. 16. Руководство по ревизии, наладке и испытанию подземных электроустановок шахт / [Чумаков В.А., Глухов М.С., Осипов Э.Р. и др.]; под ред. Дехтярева В.И. – М.: Недра, 1989. – 614 с. 17. Бариев Н.А. Защитное заземление шахтного электрооборудования / Н.А. Бариев.- М.: Недра, 1965.- 76 с. 18. Правила безпеки у вугільних шахтах [Електронний ресурс]: затверджено наказом Державного комітету України з промислової безпеки, охорони праці та гірничого нагляду 22.03.2010 N 62. – К., 2010. – Режим доступу: http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/z0398-10 19. Риман Я.С. Защита подземных электрических установок угольных шахт / Я.С.Риман – М.: Недра, 1977, − 206 с. 20. Справочник по электроустановкам угольных предприятий / [В.В. Дегтярев, В.И. Серов, Г.Ю. Цепелинский]; под ред. В.В. Дегтярева. − М.: Недра, 1988. – 727 с. 21. Риман Я.С. Защита шахтных участковых сетей от токов короткого замыкания / Я.С.Риман − [2-е изд., перераб. и доп.]. – М.: Недра, 1985, − 88 с. 22. Перехідні процеси в системах електропостачання: підручник для вузів. / [Г.Г Півняк, В.М.Винославський, А.Я. Рибалко, Л.І. Несен]; під ред. Г.Г. Півняка. – [2-е вид., доправ. та доп.]. – Дніпропетровськ: НГУ, 2002. – 579 с. 23. Маренич К.М. Зворотні енергетичні потоки асинхронних двигунів як фактор небезпеки в електромережі шахти: монографія / К.М.Маренич, С.В.Василець.- Донецьк: ДонНТУ, 2012.- 206 с. 24. Маренич К.Н. Обоснование структуры модели процесса короткого замыкания в низковольтной электросети участка шахты / К.Н. Маренич, И.В. Ковалёва // Наукові праці ДонНТУ, серія гірничо208


електромеханічна. − Донецьк: ДонНТУ, 2006. − Вип. 12(113). − С.179185. 25. Маренич К. Н. Моделирование процесса короткого замыкания в низковольтном электротехническом комплексе участка шахты с учетом влияния электропотребителя / К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва // Наук. праці Донецького нац. техн. ун-ту, серія „Електротехніка і енергетика”. − Донецьк: ДонНТУ, 2007. − Вип. 7(128). − С.146-149. 26. Маренич К.М. Наукові основи впровадження автоматичного захисного двобічного знеструмлення шахтної дільничної електромережі: монографія / К.М. Маренич, І.В. Ковальова.- Донецьк: ДонНТУ, 2012.- 125 с. 27. Маренич К.М. Питання стійкості систем «тиристорний комутаційний апарат - асинхронний двигун» під час фазавого регулювання напруги / К.М. Маренич // Теорія та моделі пристроїв вимірювальної техніки: збірник наукових праць. – К.: Інститут електродинаміки НАН України, 1993. – С.35-39. 28. Апараты защиты от токов утечки рудничные для сетей напряжением до 1200 В. Общие технические условия: ГОСТ 22929−78. С изменениями согласно ИУС 11−80, 7−81, 11−83. Соответствует СТ СЭВ 2309−80. − [Вступил в силу 01.01.1979]. − М.: Изд-во стандартов, 1987. − 13с. − (Межгосударственный стандарт). 29. Колосюк В.П. Техника безопасности при эксплуатации рудничных электроустановок / Колосюк В.П. – М.: Недра, 1987. - 407с. 30. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей. Гл. Э3.2. Электроустановки во взрывоопасных зонах Главэнергонадзор. – М.: Энергоатомиздат, 1990, - 32с. 31. Электробезопасность в горнодобывающей промышленности / [Гладилин Л.В., Щуцкий В.И., Бацежев Ю.Г., Чеботаев Н.И.] – М.: Недра, 1986. – 364 с. 32. Классификация и маркировка рудничного электрооборудования http://leg.co.ua/info/spravka/klassifikaciya-i-markirovka-rudnichno go-elektrooborudovaniya.html 33. А. с. 1377946 СССР, МПК4 Н02Н3/08. Устройство для защиты трехфазной электроустановки от аварийных режимов / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, Б.Д. Борисов (СССР). − № 3989837/24-07; заявл. 17.12.85; опубл. 29.02.88. Бюл. № 8. 34. Маренич К. Н. О технических возможностях выявления начального этапа короткого замыкания в электросети участка шахты / 209


К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва // Праці Луганського відділення Міжнарожної академії інфоматизації. − Луганськ: СНУ ім. В. Даля, 2010. − №2 (22). – С. 26-30. 35. Патент на корисну модель 50773 (UA), МПК (2009) Н02Н 3/00 Спосіб захисту від струмів короткого замикання в мережі живлення асинхронного двигуна / К.М. Маренич, І. В. Ковальова. u 2009 13013. Заявл. 14.12.2009. Опубл 25.06.2010. Бюл. №12. 36. Авт. свид. 1680977 СССР, МПК5 Е21С35/24. Устройство для выявления аварийных режимов эксплуатации приводов / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, С.В. Дзюбан, И.С. Кибрик, А.П. Быковский, В.С. Бакуменко (СССР). − № 4738242/03; заявл. 10.07.89; опубл. 30.09.91. Бюл. №36. 37. Демченко О.А. Обоснование мер предотвращения взрывов при эксплуатации гибких силовых кабелей на угольных шахтах: дис. …канд. техн. наук: 05.26.01 / Демченко Олег Александрович. – Макеевка, 2011. – 194 с. 38. Авт. свид. 913516 СССР, МПК Н02Н9/02 Токоограничивающее устройство / В.А. Машкин, Л.С. Беспалов, В.Г. Савельев. (СССР) - №3000759/24-07. Заявл. 25.07.1980. Опубл. 15.03.1982. Бюл. №10. 39. Авт. свид. 1453513 СССР, МПК4 Н02Н7/08.Устройство для защиты асинхронного электропривода от аварийных токов / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, С.В. Дзюбан, В.Б. Шевчик (СССР). − № 4306876/24-07; заявл. 21.09.87; опубл. 23.01.89. Бюл. №3. 40. Патент на винахід 97592 (UA), МПК (2006.01) Н02Н 3/10 Н02Н 7/08 Н02Н 7/09 Спосіб струмового захисту в мережі живлення асинхронного двигуна в складі гірничого дільничного електротехнічного комплексу / К.М. Маренич, І. В. Ковальова, С.В. Василець. − а 2011015324. Заявл. 20.12.2010. Опубл 27.02.2012. Бюл. №4. 41. Электрические аппараты высокого напряжения: [учебное пособие для вузов] / [Александров Г.Н., Борисов В.В., Иванов В.А. и др].; под ред. Александрова Г.Н.– Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 344с. 42. Цифровые блоки управления и защит для комплектных устройств во взрывозащищённом исполнении. Блок токовой защиты БТЗ http://deg-automatica.dn.ua/pdf/btz.pdf 43. БТЗ-М. Блок токовой защиты. Информационный листок http://igm.com.ua/documenti/Blok_tokovoy_zawiti_BTZ.doc 210


44. Колосюк В.П. Защитное отключение рудничных электроустановок / В. П. Колосюк. − М.: Недра, 1980. − 334 с. 45. Цапенко Е.Ф. Электробезопасность на горных предприятиях: учеб. пособие / Е.Ф. Цапенко, С.З. Шкудин. - М.: Издательство Московского государственного горного университета, 2001. - 103с. 46. Маренич К.М. Комутаційні процеси в шахтній дільничній електромережі як фактор впливу на стійкість роботи засобів захисного знеструмлення: монографія / К.М. Маренич, С.А. Руссіян. – Донецьк: ДВНЗ «ДонНТУ», 2013. – 117 с. 47. Патент на корисну модель 46748 (UA), МПК (2009) Н02J 3/00 Спосіб автоматичної компенсації ємнісних струмів витоку в трифазних електричних мережах з ізольованою нейтраллю / В.М. Савицький, О.І. Белошистов, О.В. Савицький. − u 2009 04385. Заявл. 05.05.2009. Опубл 11.01.2010. Бюл. №1 48. Апарат защиты от токов утечки унифицированный рудничРуководство по эксплуатации / ный АЗУР-4МК. ИТЭП.648513.004.РЭ, 2013.- 28 с. http://itep.com.ua/ 49. Савицкий В.Н. Защита от токов утечки в комбинированных распределительных сетях угольных шахт / Савицкий В.Н., Стадник Н.И.- 13 с. http://ukrniive.com.ua/ru/article/current_leakage.htm. 50. Бабочкин Г.И. Частотно-регулируемый электропривод механизмов подачи очистных комбайнов / Г.И. Бабочкин, В.И. Щуцкий // Горные машины и автоматика.- 2001. - № 8. - С.38-40. 51. Киампо Е.М. Токи утечки в комбинированной электрической сети горных машин / Киампо Е.М., Коровкин В.А. // Известия вузов. Горный журнал.- 1986.- №2.- С.97-99. 52. Белошистов А.И. Проблемы защиты от утечек тока на землю распределительных сетей угольных шахт, содержащих силовые полупроводниковые элементы // Белошистов А.И., Савицкий В.Н. Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2004. – С. 78-83. 53. Колосюк В.П. Токи утечки на землю в системе электроснабжения комбайнов с регулируемым приводом / Колосюк В.П., Товстик Ю.В. // Уголь Украины. – 2005. – № 6. – С. 35-39. 54. Шкрабец Ф.П. Автоматический и селективный контроль параметров изоляции в распределительных сетях напряжением выше 1000 В / Ф.П. Шкрабец. Взрывозащищённое электрооборудование. Зб. наук. праць УкрНДІВЕ. Донецьк, 2009.- С 31-39. 211


55. Выключатели автоматические. Типы, виды, устройство, работа автоматического выключателя. Электротехинфо http://www.eti.su/articles/visokovoltnaya-tehnika/visokovoltnayatehnika_627.html 56. Выключатели автоматические А3790. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ОБЕ.140.010.ТО http://www.pec.by/ content/files/_a3790u/a3790_to_ie.pdf 57. Автоматизований електропривод машин і установок щахт і рудників [навчальний посібник для вузів] / [К.М. Маренич, Ю.В. Товстик, В.В. Турупалов, С.В. Василець, І.Я. Лізан]; під ред. К.М. Маренича. Донецьк, ДонНТУ, 2012.- 245 с. 58. Маренич К.Н. Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммутаторами. Донецк, ДГТУ, 1997 - 64 с. 59. Авт. свид. 1571733 СССР, МПК Н02М5/22 Устройство для управления трёхфазным тиристорным регулятором напряжения / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич и др. (СССР). - № 44233599/07. Заявл. 11.05.1988. Опубл. 15.06.1990. Бюл. №12. 60. Полупроводниковое устройство автоматического повторного включения АПВ-2П http://electricalschool.info/main/elsnabg/348avtomaticheskoe-povtornoe-vkljuchenie.html 61. Электрификация горных работ [учебник для вузов] / [С.А. Волотковский, Ф.П. Шкрабец, Г.Г. Пивняк, Г.А.Кигель, В.Д.Фурсов, И.Т. Сидоренко, А.В.Коротун]; под ред. С.А.Волотковского. К.: Вища школа, 1980.- 448 с. 62. Гусев Н.Н. Устройство и монтаж электрооборудования / Н.Н. Гусев, Б.Н. Мельцер. - Минск, Вышейшая школа, 1979 http://www.electromonter.info/library/electric_meter.html 63. IEC 60044-1(2003) Трансформаторы измерительные. Часть 1. Трансформаторы тока (Instrument transformers - Part 1: Current transformers) МКС17.220.20 Стандарт МЕК .- 59 с. 64. Циглер Г. Цифровая дифференциальная защита. Принципы и область применения. – Перевод с англ./ Г. Циглер, под ред. Дьякова А. Ф. – М.: Знак, 2008. – 216 с. 65. А. Головин, Б. Махаров Датчики Роговского. Эволюция систем релейной защиты и автоматики/ Энергетика №2(37), май 2011. http://www.kazenergy.kz/arhiv/37/40.htm 66. Циглер Г. Цифровая дистанционная защита: принципы и применение / Г. Циглер. – Перевод с англ., под ред. Дьякова А. Ф. – М.: Энергоиздат. 2005. 322 с. 212


67. И. Авраменкова Оптические датчики тока и напряжения / Абраменукова И., Корнеев И., Троицкий Ю. http://www.kite.ru/ articles/sensor/2010_08_60.php шунты и добавочные резисторы 68. Измерительные http://electricalschool.info/2009/10/11/izmeritelnye-shunty-i-dobavochnye .html 69. НПФ РегМик. Датчики тока ДТХ. Устройство и принцип действия http://www.regmik.com/dth.html 70. Климов Н.С. Датчик тока на элементе Холла http://www.radioradar.net/radiofan/measuring_technics/current_sensor_ele ment_hall.html 71. АВВ Ревю. 1/2005. Прорыв в области измерения сильных постоянных токов. Преобразователи тока на основе эффекта Холла – АББ.005АББ http://www05.abb.com/global/scot/scot232.nsf/ veritydisplay/4f94683a04db946cc125703c003dd189/$file/3BHS206318R0 1_Rev-_ABB%20Review%20R.pdf 72. Терморезисторное реле защиты электродвигателя http://magarm.ru/files/Equipment/Fanox_materials/Info_fanox/MT.pdf 73. Терморезисторное реле защиты электродвигателей РТ-М011-15 http://www.meandr.ru/rt-m01-15.html 74. Аппарат контроля работы электродвигателей горнах машин КОРД.У http://promsouz.com/apparaty_zaschity_dvig/KORD_U.html 75. Маренич К.Н. Проблематика электробезопасности системы «кабель-двигатель» участка шахты / К.Н. Маренич // Наук. праці Донецького держ. техн. ун-ту, серія гірничо-електромеханічна. − 2001. − Вип. 27. − С. 270-277. 76. Голоднов Ю.М. Самозапуск электродвигателей / Ю.М. Голоднов. − 2−е изд. − М.: Энергоатомиздат, 1985. − 136с. 77. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и синхронных двигателей / И.А. Сыромятников; под ред. Л.Г. Мамиконянца. − 4-е изд., перераб и доп. − М.: Энергоатомиздат, 1984. − 240с. 78. Шишкин Н.Ф. Быстродействующая защита шахтных сетей от замыкания на землю / Н.Ф. Шишкин – М.: Госгортехиздат, 1960.– 53 с. 79. Шишкин Н.Ф. Быстродействующая защита от токов утечки на землю в сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В / Н.Ф. Шишкин – М.: ИГД, 1960. – 50 с.

213


80. Шишкин Н.Ф. Основные направления электрификации современных шахт / Н.Ф. Шишкин, В.Ф. Антонов – М.: Наука, 1981. – 116 с. 81. Колосюк В.П. Повышение взрывопожаробезопасности шахтных систем электроснабжения / В.П. Колосюк, П.К. Жуйков // Взрывозащищенное электрооборудование: сб. науч. трудов УкрНИИВЭ. − Донецк: ООО «Юго−Восток, Лтд», 2008. − С. 99−116. 82. Маренич К. Н. Обоснование информационного параметра функционирования устройства автоматического подавления ЭДС двигателей при аварийном отключении электросети / К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва // «Автоматика – 2008»: міжнар. конф. з авт. управл., 23−26 вересня 2008р.: матеріали конф. − Одеса.: ОНМА, 2008. − С.352-354. 83. Патент на винахід 95757 (UA), МПК (2006.01) Н02Н 3/10 Н02Н 7/08 Пристрій захисту від впливу асинхронного двигуна на точку короткого замикання в кабелі живлення / К.М. Маренич, І. В. Ковальова, І.О. Лагута, С.В. Василець.− а2010 13816. Заявл. 22.11.2010. Опубл 25.08.2011. Бюл. №16. 84. Патент на корисну модель 73720 (UA), МПК (2006.01) Н02Н 3/08 Пристрій захисту від впливу зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна на точку короткого замикання в кабелі живлення / К.М. Маренич, І. В. Ковальова, І.О. Лагута. − u2012 01848. Заявл. 20.02.2012. Опубл 10.10.2012. Бюл. №19. 85. Маренич К.М. Удосконалення засобу відокремлення зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна / К.М. Маренич, І.В. Ковальова // Наук. праці Донецького нац. техн. ун-ту. Випуск 1(12)-2(13), серія «Електротехніка і енергетика». - Донецьк: ДонНТУ, 2012. - С. 166-171. 86. Маренич К.Н. Анализ параметров эксплуатационной безопасности двухскоростного асинхронного двигателя шахтного скребкового конвейера / К.Н. Маренич // Наук. праці Донецького держ. техн. ун-ту. Серія гірничо-електромеханічна. Вип. 35.- Донецьк, ДонДТУ, 2001.- С.127-131 87. Маренич К. Н. Технические возможности автоматического отключения пускателя / К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва // Уголь Украины: научный журнал. – Киев, 2011. – Вып. №10. – С.33-36.

214


МАРЕНИЧ Костянтин Миколайович КОВАЛЬОВА Інна Володимирівна

АВТОМАТИЧНИЙ ЗАХИСТ ЕЛЕКТРОУСТАТКУВАННЯ ШАХТ ВІД АВАРІЙНИХ СТАНІВ І НЕБЕЗПЕК

Навчальний посібник (російською мовою)

Редакційно-технічне оформлення, комп’ютерна верстка, дизайн обкладинки, переклад з української К.М. Маренич

Підписано до друку 19.06.2015 г. Формат 60×841/32. Папір крейдований. Гарнітура"Newton". Друк – лазерний. Обл.-вид. л. 6,67. Ум. друк. арк. 6,22. Замовлення №0915. Тираж 500 прим. Видавництво: ТОВ "Технопарк ДонДТУ "УНІТЕХ" Свідоцтво про внесення видавця до Державного реєстру суб'єктів видавничої діяльності – ДК 1017 від 21.08.2002 Тел.: +380 (66) 029-44-30 Ел. пошта: m-lab@ukr.net Віддруковано у друкарні ТОВ "Норд Комп’ютер" на цифрових лазерних видавничих комплексах Rank Xerox DocuTech 135 і DocuColor 2060 Тел.: +380 (62) 389-73-82, 389-73-86 Ел. пошта: nordpress@gmail.com 215


Маренич Константин Николаевич, заведующий кафедрой «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова», проректор по научной работе Донецкого национального технического университета (г. Донецк) профессор, доктор технических наук

Ковалёва Инна Владимировна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» Донецкого национального технического университета (г. Донецк) В учебном пособии рассмотрены принципы построения и функционирования технических средств автоматической защиты рудничного электрооборудования от аварийных и опасных состояний, включая короткие и дуговые замыкания, токовые перегрузки, утечки тока на землю. Освещены перспективные направления усовершенствования схемотехники защитных устройств. Особое внимание уделено рассмотрению принципов выявления аварийного состояния в кабелях участковой электросети автономными техническими устройствами со стороны присоединений статоров асинхронных двигателей потребителей, построению и функционированию технических средств автоматического двустороннего защитного обесточивания шахтной участковой электросети. Учебное пособие предназначено для подготовки специалистов в области создания и эксплуатации: средств автоматизации горно-технологических процессов; электротехнических комплексов и систем горных предприятий; электрооборудования энергоёмких производств и предприятий родственных отраслей.

Автоматическая защита электрооборудования шахт от аварийных и опасных состояний  

В учебном пособии рассмотрены принципы построения и функционирования технических средств автоматической защиты рудничного электрооборудовани...

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you