Page 1

Донецкий национальный технический университет

К.Н. Маренич ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИНЦИПЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ОБЕСТОЧИВАНИЯ РУДНИЧНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

МОНОГРАФИЯ


Маренич К.Н.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИНЦИПЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ОБЕСТОЧИВАНИЯ РУДНИЧНЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Монография

Донецк ООО "Технопарк ДонГТУ "УНИТЕХ" 2015


УДК 622.012.2:621.316 М25 Рекомендовано к печати Ученым Советом ГВУЗ "Донецкий национальный технический университет", протокол №5 от 19.06.2015 г. Рецензенты: Колосюк В.П. – докт. техн. наук, проф., главный научный сотрудник Государственного Макеевского научно-исследовательского института по безопасности работ в горной промышленности (МакНИИ); Шкрабец Ф.П. – докт. техн. наук, проф., зав. кафедрой "Восстанавливаемые источники энергии" ГВУЗ "Национальный горный университет" (г. Днепропетровск); Синчук О.Н. – докт. техн. наук, проф., зав. кафедрой "Автоматизированные электромеханические системы в промышленности и транспорте" ГВУЗ "Криворожский национальный университет" (г. Кривой Рог). М 25

Маренич К.Н. Теоретические основы и принципы применения защитного обесточивания рудничных электротехнических комплексов: монография / К.Н. Маренич. – Донецк: ООО "Технопарк ДонГТУ "УНИТЕХ", 2015. – 234 с. ISBN 978-966-8248-60-3 В монографии обоснован метод математического моделирования переходных процессов в шахтном участковом электротехническом комплексе, в соответствии с которым объект исследования представляется системой распределённых: источников энергетических потоков; сопротивлений изоляции силовых присоединений; проводимостей в контуре "земля" и учитываются изменения конфигурации сети в процессе и после отключения напряжения питания. Получены закономерности изменения электрических параметров в структурах электротехнического комплекса в условиях воздействия переходных процессов и действия совокупности энергетических потоков распределённых источников. Определена возможность обратных ЭДС асинхронных двигателей поддерживать опасное состояние электросети после её защитного отключения. Представлены усовершенствованные принципы построения защит шахтного участкового электротехнического комплекса от аварийных и опасных состояний. За основу принята концепция его защитного обесточивания отделением от сети всех источников энергетических потоков при применении в присоединениях статоров асинхронных двигателей измерительных и исполнительных средств, реагирующих на повышение проводимостей в цепях "фаза-земля" кабелей электропитания. Монография предназначена для научных работников, конструкторов, разработчиков и производственников, работающих в области создания, модернизации и эксплуатации рудничного электрооборудования, может быть использована в качестве учебного пособия аспирантами при исследовании процессов в промышленных электротехнических комплексах; студентами при изучении соответствующих разделов дисциплины "Электрооборудование и электроснабжение горных предприятий". УДК 622.012.2:621.316

ISBN 978-966-8248-60-3

© К.Н. Маренич, 2015 2


СОДЕРЖАНИЕ Введение .......................................................................................... 7 1 Общий анализ аварийных и опасных состояний электрооборудования технологических комплексов шахты и свойств средств защиты .............................................................. 1.1 Электротехнический комплекс технологического участка угольной шахты как объект исследования .......................... 1.2 Асинхронные двигатели потребителей как источник обратных энергетических потоков................................................ 1.3 Междуфазные короткие замыкания как факторы опасности эксплуатации шахтных участковых электротехнических комплексов .................................................................................. 1.4 Силовая электросеть шахтного участкового электротехнического комплекса как источник опасности электропоражения человека ........................................................................... 1.5 Устройство и диалектика усовершенствования средств защиты от утечек тока на землю ............................................... 1.5.1 Принципы определения наличия цепи утечки тока на землю ........................................................................................... 1.5.2 Устройство и свойства устройств автоматической компенсации ёмкости изоляции сети .............................................. 1.5.3 Автоматическое закорачивание повреждённой фазы как способ ускорения обесточивания цепи утечки тока на землю ........................................................................................... 1.5.4 Применение микропроцессорной схемотехники как средство повышения функциональных свойств устройств защиты от утечек тока на землю ............................................... 1.5.5 Проблематика обеспечения электробезопасности эксплуатации комбинированных сетей шахтных участковых электротехнических комплексов............................................... 1.5.6 Схемные отличия устройства защиты от утечек тока на землю в электрической сети номинального напряжения 3300 В .......................................................................................... 1.6 Свойства устройств токовой защиты электротехнических комплексов шахтных участков и средств токоограничения при аварийных состояниях ............................................. 1.6.1 Свойства средств максимальной токовой защиты электросетей шахтных участков ....................................................... 3

9 9 19 25 33 39 39 45 47 49 51 66 69 69


1.6.2 Защитная функция гибких кабелей с параметрами взрывобезопасности ................................................................... 71 1.6.3 Устройство и проблематика применения системы опережающей защиты рудничных электроустановок .................. 75 2 Совершенствование методов математического моделирования в контексте исследования переходных процессов при коммутации силовых присоединений участкового электротехнического комплекса шахты .................................. 2.1 Определение особенностей воздействия коммутационного переходного процесса на величины электрических параметров электротехнического комплекса как актуальная задача совершенствования методики исследования его динамических состояний............................................................... 2.2 Участковый электротехнический комплекс шахты в условиях воздействия контакторной коммутации в контексте определения состояний его структурных составляющих методами математического моделирования................................. 2.3 Обобщение результатов исследования свойств контакторной коммутации силового присоединения ......................... 2.4 Динамические процессы в шахтном участковом электротехническом комплексе при применении полупроводниковых устройств регулируемой коммутации силовых присоединений ....................................................................................... 2.4.1 Анализ функционирования средств защитного отключения цепи утечки тока на землю в условиях применения устройств регулируемой коммутации асинхронных двигателей потребителей ........................................................................ 2.4.2 Анализ функционирования системы "тиристорный регулятор напряжения – асинхронный двигатель" в контексте определения условий нарушения стабильности её параметров ................................................................................................ 2.4.3 Обоснование рационального способа технической реализации принципа регулируемой коммутации силового присоединения электротехнического комплекса участка............. 2.5 Определение параметров фильтра реагирующего органа защитного устройства в условиях воздействия коммутационных процессов как пример применения усовершенствованных методов моделирования ............................................... 4

81

81

85 96

101

101

102 114

116


3 Обратные энергетические потоки асинхронных двигателей как фактор повышения опасности электропоражения в условиях эксплуатации шахтных участковых электротехнических комплексов ....................................................... 3.1 Общая характеристика опасности электропоражения от обратной ЭДС асинхронного двигателя .................................. 3.2 Принципы моделирования электротехнического комплекса в контексте определения воздействия обратного энергетического потока асинхронных двигателей на цепь утечки тока на землю ................................................................. 3.3 Анализ свойств обратных энергетических потоков относительно формирования электропоражающего фактора после отключения напряжения питания участковой электросети .................................................................................................. 3.4 Обобщение функции воздействия обратных энергетических потоков асинхронных двигателей на состояние электробезопасности с учётом параметров и условий эксплуатации электротехнического комплекса ........................................ 4 Автоматическое двустороннее обесточивание шахтного участкового электротехнического комплекса как направление повышения эффективности его защиты от аварийных и опасных состояний ............................................................ 4.1 Обратная ЭДС асинхронного двигателя как фактор воздействия на место междуфазной повышенной проводимости после защитного отключения сети ........................................... 4.2 Анализ процессов в электромеханической системе "силовое присоединение – асинхронный двигатель" в контексте поиска информационного сигнала о начале опасного состояния......................................................................................... 4.3 Принципы определения состояния кабеля питания асинхронного двигателя автономными техническими средствами схемы присоединения обмотки статора ................................... 4.4 Воздействие коммутационного переходного процесса на параметры срабатывания устройства защитного обесточивания участковой электросети................................................... 4.5 Сопоставление технических свойств средств подавления воздействия обратных ЭДС асинхронных двигателей .......... 5

121 121

126

141

151

158 158

163 168 181 185


5 Техническая реализация средств усовершенствования защиты электрооборудования шахт от аварийных и опасных состояний................................................................................ 5.1 Обоснование принципов ускорения выявления короткого замыкания средствами максимальной токовой защиты..... 5.2 Двустороннее обесточивание сети при возникновении междуфазного дугообразования в кабеле питания асинхронного двигателя ............................................................................ 5.3 Принудительное отключение контактора пускателя как дополнительное средство повышения безопасности эксплуатации электрооборудования .............................................. 5.4 Электробезопасность эксплуатации двухскоростного асинхронного двигателя............................................................. 5.5 Техническая реализация принципа токоограничения при отключении сети в режиме короткого замыкания .................. 5.6 Обобщение принципов применения автоматического защитного двустороннего обесточивания шахтной участковой электросети ..........................................................................

188 188 197 201 204 211 213

Выводы ........................................................................................... 216 Перечень ссылок ............................................................................. 220

6


ВВЕДЕНИЕ Значительная составляющая энергоёмких производств в промышленном секторе экономики государства обусловливает необходимость наличия соответствующих энергетических ресурсов, важнейшим из которых является каменный уголь. Поэтому угольная промышленность является стратегической отраслью, что определяет энергетическую независимость и самодостаточность страны. Современной тенденцией является повышение мощности электромеханического оборудования технологических установок горных предприятий, что обусловливает применение более мощных приводных асинхронных двигателей (АД), комплектных трансформаторных подстанций (КТП), кабелей больших сечений и длин, перевод участковых электросетей на повышенные уровни номинального напряжения (1140 В; 3300 В). Всё это предполагает увеличение мощностей обратных энергетических потоков в рудничных участковых электротехнических комплексах (ЭТК), следствием чего является увеличение параметров опасности (величина тока и его продолжительность) в цепях междуфазного короткого замыкания, дугообразования, а также в цепи утечки тока на землю. Широкое применение гибких кабелей (с ограниченными параметрами механической прочности) для электропитания нестационарного оборудования в условиях шахты обусловливает высокую вероятность возникновения указанных аварийных и опасных состояний. Структура шахтных участковых ЭТК подчинена общему принципу, в соответствии с которым напряжение высокого уровня преобразуется до уровня номинального напряжения участковой сети непосредственно в месте расположения распределительного пункта и подаётся к АД потребителей посредством кабельных линий, подключенных по радиальной схеме и коммутируемых контакторами пускателей либо полупроводниковыми регуляторами. При этом, в случае возникновения аварийного или опасного состояния функция устройств токовой защиты и защиты от утечек тока на землю состоит в отделении энергетического потока КТП от сети ЭТК, что представляет собой защитное отключение напряжения питания. Практика эксплуатации свидетельствует, что защитное действие указанных устройств не является достаточным, поскольку состояние сети участкового ЭТК шахты после отключения напряжения питания некоторое время определяется параметрами обратных энергетических 7


потоков АД потребителей. Это обусловливает целесообразность применения автоматического защитного двустороннего обесточивания электросети, что требует дополнительных исследований и предусматривает совершенствование структуры схемы электротехнического комплекса шахтного участка. В частности, научную и практическую ценность имеют исследования параметров защитных устройств в условиях воздействия переходных процессов при коммутации присоединений с повышенными уровнями ёмкости изоляции в контексте определения вероятности и противодействия ложному срабатыванию защиты. В то же время, в условиях применения высокомощных технологических установок характерным признаком аварийных состояний шахтных участковых ЭТК становится ускорение достижения током сети такой величины, которая представляет опасность электропоражения или воспламенения оборудования. Этим обусловлена научная и практическая актуальность развития теории и принципов построения средств ускорения защитного обесточивания современных рудничных электротехнических комплексов. Результаты соответствующих исследований представлены в данной монографии. Основой монографии является диссертация "Развитие теории и принципов построения средств защитного обесточивания современных рудничных электротехнических комплексов" на соискание учёной степени доктора технических наук (защищена 22.04.2014 г.) [1]. Как автор, я выражаю искреннюю благодарность научному консультанту, д.т.н., профессору Сивокобыленко Виталию Фёдоровичу, а также к.т.н., доценту Дубинину Сергею Васильевичу и своим ученикам, кандидатам технических наук: доценту Васильцу Святославу Владимировичу, Ковалёвой Инне Владимировне, Руссияну Станиславу Анатольевичу за плодотворное сотрудничество при решении актуальных задач в контексте представленной проблематики. Профессор, д.т.н. К.Н. Маренич

8


РАЗДЕЛ 1 ОБЩИЙ АНАЛИЗ АВАРИЙНЫХ И ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ШАХТЫ И СВОЙСТВ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ 1.1 Электротехнический комплекс шахтного технологического участка как объект исследования Многочисленные технологии, используемые при добыче угля, его транспортировании, подготовке и техническом сопровождении производственных процессов в шахте предполагают применение мощного энергоёмкого электротехнического оборудования. Этим обусловлена необходимость эксплуатации участковых электротехнических комплексов (ЭТК) в качестве технических средств, которые должны обеспечивать: - электроснабжение потребителей участка трёхфазным напряжением, величина и частота которого соответствуют техническим условиям работы электродвигателей технологических установок; - безопасные по фактору электротравматизма условия эксплуатации электротехнического и электромеханического оборудования; - автоматическое защитное отключение силовых присоединений участка при возникновении аварийных состояний; - недопущение включения коммутационного аппарата при повреждении изоляции его силового присоединения. Этим функциональным свойствам соответствует типовая структура электротехнического комплекса технологического участка шахты (рис. 1.1), которая согласуется с положениями нормативных документов [2-5] и включает структурные составляющие в совокупности их функциональных связей, предназначенные для выполнения коммутационных, распределительных и защитных функций [6-9]. Эта структура содержит комплектную трансформаторную подстанцию (КТП, рис. 1.2), распределительный пункт участка (РП) и асинхронные двигатели (АД) потребителей. РП может быть представлен, совокупностью магнитных пускателей (П, рис. 1.3), с групповым автоматическим выключателем (АВ, рис. 1.4) либо станцией управления (СУ, рис. 1.5), от которых по радиальной схеме к АД отходит сеть гибких кабелей [10-13]. Электроснабжение РП от КТП осуществляется магистральным кабелем (МК). 9


МСЗ

МТЗ

АВ

10 Включение / отключение вручную; автоматическое отключение по команде защит

АЗ

АПШ

Питание потребителей напряж.127 В, их максимальная токовая защита; защита от утечек тока на землю в сети 127 В

Дистанционное контакторное включение/отключение; предварительный контроль сопротивления изоляции силового присоединения

Асинхронные двигатели потребителя потребителей напряжения 127В

пускатели

soft start

Плавные пуск и остановка АЛ, плавный пуск АД с предварительным рывком

Рисунок 1.1 – Схема распределения функций между структурными составляющими ЭТК шахтного участка

на землю, ограничение тока в цепи утечки на землю); предварительный контроль сопротивления изоляции силового присоединения

Защита от электропоражения при эксплуатации участковой сети (выявление цепи утечки тока

Максимальная токовая защита электрооборудования участковой сети

АЗ

АВ

Автоматическое защитное отключение при коротком замыкании в силовом присоединении, отсутствии напряжения в сети

АВ

Комплектная трансформаторная подстанция

6 кВ

Преобразование напряжения 6 кВ до уровня номинального напряжения потребителей

АЗ


Тенденция относительно применения напряжения повышенного номинального уровня (1140 В) для питания высокомощного электромеханического оборудования обусловливает целесообразность распределения всей совокупности электропотребителей участка на две группы: потребителей малой и средней мощности (линейное напряжение питания 660 В); потребителей большой мощности (линейное напряжение питания 1140 В) и применения двух КТП на соответствующие уровни вторичных напряжений [14]. Структура шахтного участкового электротехнического комплекса даёт возможность сделать вывод о наличии потенциальных опасностей взрыва метано-воздушной смеси и пожара в условиях шахты вследствие возникновения аварийных состояний силового электрооборудования. Как следует из анализа аварийности на шахтах Украины (1976-2008 г.), на электрический ток как источник воспламенения метано-воздушной смеси приходится 47,58% всех взрывов [15]. При этом, 47,46% от всех случаев взрывов от воздействия электротока связаны с повреждением гибких кабелей, что приводит к коротким замыканиям или утечкам тока на землю (табл. 1.1).

QS

SАQF

TV 1

ТА ДС

FA

6000 В

690 В

YAT

ПМЗ

ДТ

РПВН РУВН

АГЗ

АЗ

FV TV2

Трансформаторне Трансформаторное відділення отделение

РПНН РУНН

Рисунок 1.2 - Функциональная схема комплексной трансформаторной подстанции: РУВН, РУНН – распредустройства высокого и низкого напряжения; QS – разъединитель; TV1 – силовой трансформатор; TV2 – трансформатор собственных нужд; ТА – датчики тока; ДТ – датчик температуры

11


12

Рисунок 1.3 - Схема магнитного пускателя серии ПВИ-320


Рисунок 1.4 - Схема автоматического выключателя серии АВ распределительного пункта технологического участка шахты [6] SA

QS

ТА ДС

KМ1

FA

БЖ БП

FV

YAT

БСЗ БТЗ

ТА ДС

БКІ БКИ

KМ7

БДУ

KМ7.1 „ПУСК”

БСЗ БТЗ

„СТОП”

Рисунок 1.5 - Обобщённая структурная схема станции управления типа СУВ-350А (СУВ-630): БП – блок питания; БДУ – блок дистанционного управления; БКИ – Блок контроля изоляции; БТЗ – блок токовой защиты; ДА – датчики тока; QS – разъединитель; SA – автоматический выключатель; FA – электромагнитный расцепитель; FV – нулевой расцепитель; YAT – независимый расцепитель; КМ1-КМ7 – контакторы отходящих присоединений 13


Таблица 1.1 - Причины и места искрения или дугообразования, которые привели к взрывам метано-возушной смеси [15]

№ 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Причины искрения или дугообразования Рабочее искрение на контактах пусковой аппаратуры при открытых крышках или нарушении взрывозащиты Искрение в коробках вводов электрооборудования при нарушенной взрывозащите или открытых вводах Искрение или дуга при повреждении кабелей, в т.ч., бронированных, гибких Искрение или дуга при выдёргивании гибких кабелей из вводных устройств электрооборудования Искрение в местах холодных счалок Искрение на контактах контроллеров электровозов при нарушенной взрывозащите Искрение в схемах аккумуляторных батарей электровозов Искрение или короткое замыкание в кабельных цепях электрооборудования напряжением 36 В Искрение при разъединении кабельного штепсельного взрывозащищённого разъёма при включенном контакторе пускателя

Количество случаев в процентах ко всем случаям от электричества 16,95 22,03 32,2 5,08 3,4 10,17 3,4 6,8 1,7

Наряду с этим, характерной опасностью дугообразования в силовом коммутационном аппарате следует считать вероятность прожигания его взрывонепроницаемой оболочки при повышенной продолжительности процесса горения междуфазной дуги. Это является следствием отсутствия реакции на междуфазное дугообразование со стороны максимальной токовой защиты, обусловленного эффектом токоограничения собственным сопротивлением дуги. Итак, наиболее повреждаемым объектом рудничного электротехнического комплекса является гибкий кабель, в частности, при его применении в очистном забое, т.е. в месте с высокой вероятностью механического повреждения и возникновении опасной концентрации 14


метана. Причинами повреждения кабелей чаще всего являются вывалы горной массы; раздавливание машинами; внешние повреждения резцами комбайнов, топорами, другими инструментами. Однако сам кабель не взрывозащищён, поскольку его концы открыты, и их не обходимо герметизировать вводами рудничного электрооборудования (к которому подводится кабель). Поэтому взрывозащита кабелей обеспечивается всем комплексом мер безопасности системы электроснабжения с учётом специфики конструкций кабельных присоединений и функционирования средств защитного отключения. Это не исключает вероятности возникновения опасностей при эксплуатации кабельной сети (табл. 1.2, табл. 1.3). Таблица 1.2 - Причины воспламенения шахтных кабелей [15] № 1

Причины воспламенения шахтных кабелей Короткое замыкание в кабеле, в т.ч.: гибкие кабели; бронированные кабели Короткое замыкание в местах подключения кабелей к электрооборудованию (из-за некачественного присоединения) Перегрузка кабеля (заниженное сечение) Перегрузка кабеля (некачественный контакт в присоединении) Трение кабеля конвейерной лентой, цепью Замыкание кабеля на провод контактной сети

2 3 4 5 6

Кол-во воспламенений, % 73,73 40,43 33,33 13,14 4,04 3,03 2,02 4,04

Таблица 1.3 - Причины повреждения шахтных гибких кабелей [15] № 1 2 3 4 5

Причини повреждения кабелей Падение кусков породы Неосторожная порубка топором (человеческий фактор) Раздавливание и порезы резцами машин Резкие изгибы кабелей по счалкам Другие причины 15

Количество, % 47,00 22,50 20,60 9,40 0,50


Рисунок 1.6 – Зависимость времени t развития аварии от скорости v тела, повреждающего кабель для сечений [15]: 1 – 50 мм2; 1 – 25 мм2; 3 – 16 мм2 4 – 4 мм2

Опасность возникновения искрения или дугообразования является функцией продолжительности развития аварии (в порядке состояний: сжатие – повреждение изоляции с возникновением утечки тока на землю – дальнейшее сжатие с герметизацией места повреждения – разгерметизация места повреждения с выбросом разогретого вещества) и зависит от скорости и энергии тел, повреждающих кабель (рис. 1.6; табл. 1.4).

Таблица 1.4 - Зависимость времени развития аварии от скорости повреждения кабеля [15] № 1 2 3 4 5 6

Вид повреждения кабеля Повреждение резцом комбайна Повреждение кусками породы Повреждение при взрывных работах Повреждение стальным клином при его падении с высоты h, м Повреждение статической нагрузкой Отсечение натянутого кабеля стальным клином

Время развития аварии, мс 5,0-6,0 10/0 3,5 t=h/v >10 5,0

Отсечение кабеля является самым опасным видом его повреждения и требует применения мер по быстродействующему обесточиванию. Анализ технических свойств структурных составляющих участкового электротехнического комплекса (рис. 1.1-1.5) позволяет сделать следующие выводы. 16


Трансформатор КТП является трёхфазным источником энергетического потока промышленной частоты, мощность которого должна превышать совокупную мощность электропотребителей участка. Токоограничивающими факторами в схеме трансформатора КТП являются активное (Rтр) и индуктивное (Хтр) сопротивления его вторичных фазных обмоток. С целью автоматического защитного отключения участковой электросети предусмотрены два автоматических выключателя: один – в составе распределительного устройства низкого напряжения (РУНН) КТП, другой – на вводе перед контакторами схемы СУ или на входе низковольтного РП участка в случае использования пускателей в качестве средств дистанционной коммутации присоединений [12, 13, 16]. Свойства АВ относительно защитного обесточивания силовых присоединений определены наличием соответствующих электромагнитных расцепителей: - расцепитель максимального тока (реагирование на превышение током сети заданного максимально допустимого значения; оперативное регулирование уставки срабатывания, как правило, не предусмотрено); - расцепитель минимального напряжения (нулевой расцепитель реагирование на отсутствие напряжения в сети, либо снижение напряжения до минимально допустимого уровня; может отрабатывать команды внешних защит при условии обесточивания обмотки своего электромагнита исполнительными реле устройств защиты); - независимый расцепитель (реагирование на команды внешних защит при условии подачи напряжения на обмотку электромагнита исполнительными реле устройств защиты, блокировки). В качестве внешних защитных и блокирующих устройств с соответствующей функцией воздействия относительно независимого и нулевого расцепителей (применение которых является обязательным) предусмотрены: для автоматического выключателя в составе РУНН КТП – максимальная токовая защита с регулированием уставки срабатывания (ПМЗ; БТЗ и т.п.), блок контроля сопротивления изоляции (БКИ) отходящего присоединения, аппарат защиты от утечек тока на землю; для группового автоматического выключателя на вводе станции управления, входе РП участка – те же защиты, кроме защиты от утечек тока на землю (за исключением отдельных случав, когда воздействие такой защиты на расцепители группового АВ предусмотрено). В качестве исполнительных устройств коммутации силовых при17


соединений в АВ предусмотрены силовые контактные группы, движение контактов которых отрабатывается механизмом свободного расцепления. Дистанционная коммутация силовых присоединений осуществляется контакторами магнитных пускателей или станций управления. Включенное состояние контактора поддерживается в течение времени наличия тока достаточной величины в обмотке его электромагнита. При неразомкнутом контакте кнопки "СТОП" цепи дистанционного управления исполнительное реле этой цепи и сама обмотка электромагнита контактора будут находиться под действием тока управления всё время, пока величина напряжения в сети будет достаточной для создания такого тока. Поэтому, защитное отключение АВ (в составе РУНН КТП) не вызовет одновременного отключения группового АВ участка и контакторов магнитных пускателей (станции управления) из-за наличия обратных ЭДС АД потребителей. Воздействие этих ЭДС на электросеть шахтного участка требует дополнительных исследований.

Рисунок 1.7 - Устройство гибкого экранированного шахтного кабеля марки КГЭШ: 1 – силовая жила; 2 – резиновая изоляция; 3 – резиновый полупроводниковый экран; 4 – сигнальная жила; 5 – заземляющая жила; 6 – оболочка кабеля

Условием электропитания передвижного технологического оборудования является применение гибких экранированных шахтных кабелей (рис. 1.7) между силовыми вводами пускателей и АД потребителей. Заземление корпусов передвижного электромеханического оборудования осуществляется заземляющими жилами 5 путём их присоединения к корпусам в отсеках кабельных вводов электродвигателей и коммутационных аппаратов. Наличие резинового проводящего экрана 3 поверх резиновой изоляции 2 силовой жилы 1 создает контакт этой силовой жилы с заземлением 5 при любом повреждении кабеля (однофазная утечка тока на землю, междуфазное короткое за18


мыкание), что должно приводить к срабатыванию устройства защиты от утечек тока на землю (в составе РУНН КТП) и отключению, в связи с этим, напряжения питания участкового ЭТК. Таким образом, электрооборудование участковых электротехнических комплексов шахты представляет собой совокупность средств генерирования, силовой коммутации, распределения и потребления электроэнергии и характеризуется наличием источников энергетических потоков как со стороны питающей трансформаторной подстанции, так и со стороны асинхронных двигателей потребителей. Вероятными опасными состояниями шахтной участковой электросети следует считать: междуфазные короткие замыкания; междуфазные дугообразования; возникновение цепи повышенной проводимости между фазой и землёй вследствие касания фазного проводника человеком (цепи утечки тока на землю). В этих случаях требуется применение автоматического защитного быстродействующего обесточивания сети, что отрабатывается устройствами защитного отключения напряжения питания. 1.2 Асинхронные двигатели потребителей как источник обратных энергетических потоков Способность асинхронных двигателей создавать обратные ЭДС в процессе выбега обусловливает поддержание опасного состояния сети после её защитного отключения в случае возникновения цепи утечки тока на землю. Поэтому проблематика воздействия АД потребителей на параметры электробезопасности требует отдельного исследования. Рациональным следует считать подход к анализу процессов многомашинных ЭТК на основе применения векторного метода [17]. Основываясь на постоянстве потокосцепления ротора при отключении АД от источника питания, определяется характер изменения напряжения статора us при индивидуальном выбеге:

us = k ⋅ U s ⋅ e

t Tr 0

⋅ cos[(1 − s )ω1t + α − ϕ ],

(1.1)

где k − коэффициент, отражающий степень механической загрузки двигателя, изменяется от 0,83 при номинальной нагрузке до 0,95 в ненагруженном режиме; Us, ω1 − соответственно, амплитудное значение и угловая частота напряжения сети; Tr0 − постоянная времени ро19


тора; s − скольжение двигателя. Недостатком приведенной зависимости является игнорирование снижения частоты вращения ротора во время выбега. Одновременное отключение группы АД исследуется операторным методом с допущением относительно величин операторных проводимостей отдельных двигателей [17]. Это позволяет получить приблизительные зависимости для определения характера затухания групповой обратной ЭДС и величин уравнительных токов между двигателями во время выбега. Однако такая математическая модель не учитывает особенностей конфигурации и функционирования электротехнических комплексов участков шахт (наличие коммутационных аппаратов и гибких кабелей присоединений и т.д.). Кроме этого, должны учитываться закономерности распределения мощностей между двигателями во время группового выбега: обмен реактивной мощностью определяется величинами постоянных времени роторов, а обмен активной мощностью зависит от скольжений двигателей. Оценка величины электромагнитной постоянной времени Тэ снижения обратной ЭДС двигателя производится согласно [18-20]:

Tэ =

Uф I 0 rэ ω 1

K,

(1.2)

где Uф − фазное напряжение статора, В; I0 − ток двигателя в незагруженном режиме, А; rэ − эквивалентное активное сопротивление ротора, Ом; ω1 − синхронная частота вращения, 1/с; K − коэффициент для учёта насыщения магнитного поля двигателя, для комбайновых электродвигателей с воздушным охлаждением K=1,0÷1,2, с водяным охлаждением K=1,6÷1,8. Постоянная времени Tг затухания ЭДС группового выбега n двигателей может бать определена зависимостью: n Т г = ∑ Pнk i =1

n Pнk ∑ , i =1 Т еk

(1.3)

где Pнk − номинальная мощность k −го двигателя. Предложенные зависимости (1.2) и (1.3) позволяют с допустимой для технических расчётов точностью определить постоянные времени снижения обратной ЭДС АД, однако они не учитывают уровень механической нагрузки двигателей во время выбега. Установлено (рис. 1.8), что с увеличением механической нагрузки двигателя начальное значение обратной 20


ЭДС уменьшается, а интенсивность её затухания возрастает [21]. Исследованиями [22-24], выполненными на основе анализа режима выбега АД в системе "двигатель − механизм" установлено, что снижение угловой скорости ω двигателя во время выбега происходит тем медленнее, чем больше момент инерции механизма, его начальная частота вращения, а так же чем меньше величина механической нагрузки двигателя механизма (рис. 1.9). [24]:

ω = γ −1

1 , 1 + (γ − 1)t / τ

(1.4)

где τ − механическая постоянная времени механизма; γ − показатель, характеризующий механическую характеристику машины: γ =0 при неизменном моменте сопротивления; в случае линейной зависимости механического момента от угловой скорости γ =1; "вентиляторной" механической характеристике соответствует γ =2.

Рисунок 1.8 - Зависимость эффективного значения напряжения фазы А относительно земли UA0, обусловленного ЭДС двигателя мощностью 88 кВт во время выбега, по данным эксперимента [21] 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)

Характерной особенностью группового выбега асинхронных двигателей разной мощности и уровней нагружения следует считать формирование уравнительных токов в сети питающих кабелей, что сопровождается обменом энергии [21]. При этом, в генераторном режиме функционируют двигатели, которые и при индивидуальном выбеге снижают скорость вращения в меньшей степени, чем другие. Экспонента обратной ЭДС одиночного АД, либо обобщённая ЭДС обусловленная совокупностью обратных энергетических потоков группы двигателей разных мощностей в режиме выбега, может быть 21


учтена при расчёте показателей электробезопасности в цепи утечки тока на землю после защитного отключения сети.

Рисунок 1.9 - Кривые выбега для агрегата с механизмом, имеющим вентиляторный момент сопротивления, при изменении относительного уровня момента сопротивления механизма М с.нач* [13]; s , ω* − скольжение и относительная угловая частота вращения двигателя; t* − относительное время (в долях времени ускорения агрегата)

Исследования процессов в системе "кабель-двигатель" при защитном отключении сети [19, 25-27] дают основания считать, что существует бесконечное количество соотношений "длина кабеля / сечение жилы", относительно которых возникают опасные начальные токи утечки (>25 mA), обусловленные действием ЭДС вращения двигателя. Однако реальный процесс в сети после её защитного отключения обусловливается общим воздействием на цепь утечки от ЭДС вращения всех ранее включенных двигателей. Поэтому актуальным представляется установление характера протекания и количественных параметров процессов, обусловленных совокупным действием на цепь утечки тока на землю со стороны ЭДС вращения группы двигателей технологического участка шахты в режиме их свободного выбега [28-32]. Рассмотрим процессы формирования обратных ЭДС АД в расчётной схеме участковой электросети, параметры которой представлены в табл. 1.5 с учётом допущений [33]: линейное напряжение Uн трёхфазной сети - 660 В; начальная величина ЭДС каждого двигателя - 0,9Uн; однофазная утечка тока на землю (Rут=1 кОм) возникает в ка22


беле электропитания комбайна (М1) в момент t1; защитное отключение сети происходит в момент t2; все контакторы (КМ1-КМ6) пускателей в присоединениях АД потребителей включены до момента снижения напряжения сети до уровня 0,4 Uн (t3); ёмкости изоляции гибких кабелей (Сиз і ) одинаковы в каждой из трёх фаз и соответствуют удельным параметрам кабеля і-го потребителя с учётом его длины; активные сопротивления изоляции кабелей (Rиз і) в каждой из трёх фаз соответствующего і-го кабеля, одинаковы для кабеля каждого потребителя и составляют Rиз>31 кОм для всей сети. Обратная ЭДС (ЭДС вращения), индуктируемая в статоре АД полем токов ротора, определяется из соотношения [34]: t − T p jω (1− s)t , (1.5) e uоб = Lm j(1 − S )ωoψ ope Lp где Lm – индуктивность намагничивания АД; Lp – полная индуктивность ротора; s и ω0 – скольжение и синхронная частота вращения ротора. Постоянная времени снижения тока ротора: Lp UфKн Tp = = , (1.6) rp I 0 rpω0 0

где rp – активное сопротивление обмотки ротора АД; Uф – фазное напряжение статора двигателя в режиме холостого хода; Кн=1,1 (для АД с воздушным охлаждением) – коэффициент, учитывающий насыщение магнитной системы АД; І0 – ток холостого хода АД. Согласно допущения, что синхронно с АВ отключаются контакторы всех пускателей (в момент t1) и с учётом зависимостей (1.5)(1.7), можно установить, что мгновенные значения ЭДС вращения роторов разных по мощности двигателей в процессе снижения могут принимать значения, разные по амплитуде, частоте и знаку (рис. 1.10). Из-за этого могут возникать состояния поддержания в двигательном режиме отдельных АД при условии, что контакторы пускателей остаются включенными. Во время выбега в этом случае двигатели потребителей участка создают в сети системы трёхфазных напряжений (ЭДС), уменьшающихся экспоненциально. Указанные ЭДС поддерживают ток в цепи утечки на землю (рис. 1.11). С момента t3 отключения контакторов из-за прекращения взаимного воздействия двигателей увеличивается интенсивность замедления роторов АД (рис. 1.12) [35; 36]. 23


Таблица 1.5 - Параметры потребителей схемы ЭТК, принятой в качестве примера для расчёта

1 Комбайн 2 Конвейер лавы (верхний привод) 3 Конвейер лавы (нижний привод) 4 Конвейер штрека 5 Маслостанция 6 Станция орошения

210 110 110

121,6 0,85

25

50

0,424

2х110 55 30

243,2 0,85 62,5 0,86 35,1 0,84

70 16 10

50 50 50

0,87 0,363 0,345

длина, м

№ Тип потребителя

Параметры гибких кабелей удельная сечеёмкость ток, ние изоляции, cos φ A жилы, мкФ/фазу/ мм2 км 231 0,855 70 300 0,87 121,6 0,85 25 300 0,424

мощность, кВт

Номинальные параметры АД

На продолжительность снижения скорости вращения ротора АД существенно воздействует приведенный момент инерции Jпр привода и статический момент сопротивления Mс [34]:

J ω dω = пр 2 , Mс − Mс ω2 0

t т = J пр ∫

(1.7)

где ω2 – частота вращения ротора двигателя при M = M c . Таким образом, начиная от момента отключения напряжения в электросети участка шахты двигатели потребителей совместно генерируют ЭДС, которая: поддерживает пускатели во включенном состоянии и обусловливает двигательный режим работы отдельных двигателей потребителей, а также протекание тока в цепи однофазной утечки на землю, чем отрицательно влияет на показатели электробезопасности. Этот вывод подтверждается данными эксперимента (рис. 1.13), где установлено, что в случае возникновения опасного состояния (цепи утечки тока на землю в момент t0, после защитного отключения сети автоматическим выключателем КТП в момент t1) контактор пускате24


ля силового присоединения с цепью утечки на землю будет поддерживаться во включенном состоянии до момента t2 благодаря подпитке схемы пускателя обратной ЭДС асинхронного двигателя этого присоединения [37, 38].

Рисунок 1.10 – Расчетные диаграммы ЭДС вращения асинхронных двигателей для разомкнутой сети (табл. 1.5)

1.3 Междуфазные короткие замыкания как факторы опасности эксплуатации шахтных участковых электротехнических комплексов Опасность воспламенения технологического оборудования вследствие междуфазного короткого замыкания силовой сети обусловлена малым токоограничением со стороны активных и индуктивных сопротивлений вторичной обмотки трансформатора КТП и кабеля (до места возникновения короткого замыкания).

25


uут

Рисунок 1.11 – Диаграмма напряжения на сопротивлении Rут тока на землю с учётом влияния обратных ЭДС совокупности двигателей uc1 iут

uc2

Рисунок 1.12 – Диаграмма частот вращения двигателей ЭТК (табл. 1.5) во время выбега

t1

t2

t0 – момент возникновения утечки тока на землю Рисунок 1.13 – Осциллограммы фазного напряжения на входе (uc1) и выходе (uc2, масштаб амплитуд уменьшен) контактора пускателя, тока утечки (iут) на землю в процессе защитного отключения присоединения с асинхронным двигателем мощностью 120 кВт в сети напряжения 660 В

С увеличением мощностей трансформаторных подстанций и сечений кабелей параметры их активных и индуктивных сопротивлений Rтр ; X тр ; Rк ; X к - уменьшаются, что обусловливает тенденцию ещё бóльшего увеличения тока к.з. в случае повышения мощностей технологических установок участка шахты. Критерий термостойкости кабеля (сечением s) к току к.з. ⎛⎜ I max = c ⋅ s ⎞⎟ определяется коэффициен⎝

t⎠

том теплорассеивания (с) и продолжительностью (t) защитного обесточивания аварийного силового присоединения [39]. Из этого следует, что повышение мощности электроустановок обусловливает приоритетность в разработке технических решений по повышению быстродействия выявления коротких замыканий в участковой сети шахты 26


и предотвращению воздействия энергетических потоков в аварийном электрическом присоединении. 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 кабелей аварийного присоединения; наличием или отсутствием нагрузки электрического присоединения (как правило, это асинхронный двигатель), его параметрами и состоянием (вращающийся или неподвижный ротор). Это положение иллюстрируется соответствующими схемами замещения, векторными диаграммами (рис. 1.14) и сопровождается в начале переходным процессом изменения потребляемого тока силовым присоединением с цепью короткого замыкания, протекающего со стороны питающей трансформаторной подстанции [40]. Этот переходный процесс (1.8) при к.з. в электрической сети с активно-индуктивными составляющими характеризуется наличием апериодического iа и периодического iп токов к.з. iк, обусловленных воздействием энергетического потока со стороны питающей КТП (рис. 1.15) [41]:

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

- t

Ta

;

(1.8)

где Та=Хk/ωrk - постоянная времени цепи к.з.: Iп – действующее значение периодической составляющей тока к.з.; iа0 – апериодическая составляющая тока к.з. в начальный момент возникновения; ω=2πf – угловая частота; φ – угол фазового смещения тока в цепи к.з.; αк – фаза включения 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 токоограничительными свойствами и должна рассматриваться как установившийся ток короткого замыкания после окончания переходного процесса. В то же время, свойством асинхронного двигателя является его способность создавать обратную ЭДС (на начальном этапе выбега), частота которой обусловлена частотой вращения ротора, а амплитуда экспоненциально уменьшается от начального уровня (0,85÷0,9 от амплитуды напряжения сети) с постоянной времени АД [34].

27


а

б

в

г

д

Рисунок 1.14 - Схемы замещения и векторные диаграммы токов при разных видах к.з. в участковых сетях: трёхфазное к.з. (а); двухфазное металлическое к.з. в сети с отключенной нагрузкой (б); двухфазное замыкание через переходное сопротивление в сети с отключенной нагрузкой (в); двухфазное металлическое к.з. в сети с подключенной нагрузкой (г); двухфазное замыкание через переходное сопротивление в сети с подключенной 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 28


i iуд

iкА iп

iп iкB

iп Im

ia Im

t

ia ia

t1

iкC

Рисунок 1.15 - Переходный процесс трёхфазного короткого замыкания: индексами А; В; С обозначены составляющие токов к.з. соответствующих фаз сети, Imн; Imк - соответственно, амплитуды номинального тока сети (до возникновения короткого замыкания) и установившегося тока к.з.

Таким образом, электротехнический комплекс шахтного участка может 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 к.з. в силовом присоединении участка (с учётом периодической и свободной составляющих тока со стороны КТП) должно быть дополнено учётом составляющих параметров процесса, начинающегося после защитного отключения сети и определяющегося действием обратных энергетических потоков АД. Возможные варианты возникновения аварийного состояния короткого замыкания в силовом присоединении сети ЭТК участка шахты представлены на рис. 1.16 [42]. Короткое замыкание в гибком кабеле потребителя (рис. 1.16, а) будет сопровождаться процессом одиночного выбега двигателя, в цепи питания которого возникло к.з. За29


щитное отключение выполняется автоматическим выключателем (АВ) и устройством максимальной токовой защиты магнитного пускателя (КА) аварийного присоединения. К аварийной точке будет поступать ток iов, обусловленный действием ЭДС вращения двигателя, в гибком кабеле которого возникло к.з. ТП

АВ

i1

КМ1

i2

КМ2

М3

in

а) КМn

АВ

Мn КМ1

iãâ

М2

iî â

КМ3

ТП

М1

КМ2

i1

i2

М1 М2

i3

КМ3 б) КМn

М3

in Мn

Рисунок 1.16 - Схема вероятных энергетических потоков к точке короткого замыкания после защитного отключения напряжения питания участковой сети в случае возникновения к.з. в гибком кабеле (а); в магистральном кабеле (б)

В случае возникновения короткого замыкания в магистральном кабеле (рис. 1.16, б) участковой сети, защитное отключение осуществляется автоматическим выключателем на выходе КТП, и имеет место процесс группового выбега асинхронных двигателей участка, что обусловливает существование тока группового выбега iгв. Это состояние поясняется включенным состоянием коммутационных аппаратов (КА) магнитных пускателей до момента достижения предельного уровня (Uдоп≥0,4Uн) ЭДС вращения двигателей (при уменьшении). На рис. 1.17 представлена структура схемы электротехнического комплекса участка в момент возникновения короткого замыкания в силовом кабельном присоединении на выходе контактора (пускателя) КМn [43]. Введены обозначения: e A , eB,eC - мгновенные значения фазного напряжения на выходе КТП; КМ1-КМn – контакторы магнитных пускателей; М1-Мn – АД потребителей участка; Rк1 , Lк1 - соответственно, активные сопротивления и индуктивности гибких кабе30


лей; Rкn.1 , Lкn.1 ; Rкn.2 , Lкn.2 - соответственно, активные сопротивления и индуктивности 1-го и 2-го условных участков гибкого кабеля. eA

АВ

КМ1

Rк1.1

Lк1.1

Rк1.2

Lк1.2 M1

eB eC

А1

А3

А2 КМn

Rкn

Lкn

Mn

Рисунок 1.17 - 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 ввести допущения об отключении контактора КМ1 одновременно с автоматическим выключателем (АВ) участковой подстанции участка. Таким образом, после защитного отключения участка фактором энергетического воздействия на точку к.з. будет оставаться только асинхронный двигатель (группа двигателей) потребителя аварийного присоединения. Применительно к схеме (рис. 1.17) это машина М1. Характерными местами определения величины фазного тока в процессе междуфазного к.з. в силовом присоединении сети являются точки: "А1" – выход силового коммутационного аппарата; "А2" – место к.з.; "А3" – зажим кабельного ввода АД потребителя. Токи к.з. описываются 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 )

(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 сопротивления цепи к.з.; 31


- в точке А3:

′ diк (Rк + Rs ) ⋅ iк + (Lк + Lsl ) ⋅ = eвр dt ′

(1.10)

где евр – мгновенные значения ЭДС вращения АД (см. п.4.1); iк′ мгновенные значения тока, обусловленного ЭДС вращения АД; Rк , Lк - соответственно, активное сопротивление и индуктивность гибкого кабеля от АД до точки замыкания; R s , L sl - активное сопротивление и индуктивность статора АД; - в точке А2 – сумма токов, обусловленных действием питающего напряжения и ЭДС вращения АД: iкз = iк + iк′ (1.11) Таким образом, процесс междуфазного к.з. в промышленной участковой электросети предполагает наличие двух токов до точки короткого замыкания: со стороны комплектной трансформаторной подстанции и со стороны асинхронного двигателя потребителя аварийного присоединения (рис. 1.18) [43]. Ещё бóльшую опасность представляет состояние, когда защитное отключение сети выполнено только групповым автоматическим выключателем (АВ), а отключение контактора аварийного присоединения (КМn) не произошло (например, в случае отказа максимальной токовой защиты пускателя аварийного присоединения). В этом случае в процессе формирования тока в точке к.з. будут принимать участие все АД совокупности потребителей участка, что обусловлено поддержанием контакторов всех пускателей участка во включенном состоянии до момента достаточного снижения обратных ЭДС вращения АД [42]. Следовательно, процесс к.з. может быть представлен совокупностью состояний в последовательности: - возникновение к.з., протекание тока от трансформатора до точки замыкания; - 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 электропитания;

32


- 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

i 2C

Ток энергетического потока от КТП

Ток энергетического потока от АД

і

і f=50 Гц

t t Рисунок 1.18 – Расчётная схема силового присоединения участкового ЭТК в состоянии к.з. в кабеле электропитания АД и формы диаграммы фазного тока к.з., обусловленного энергетическими потоками комплектной трансформаторной подстанции и асинхронного двигателя

1.4 Силовая электросеть шахтного участкового электротехнического комплекса как источник опасности электропоражения человека Наряду с таким аварийным состоянием, каким является короткое замыкание, электросеть шахтного участкового электротехнического комплекса является источником опасности электропоражения человека [44, 45]. Проблематика обеспечения электробезопасности 33


эксплуатации шахтных участковых электросетей освещена в трудах Р.М. Лейбова [46, 47], В.С. Дзюбана [6, 18, 20, 48-50], В.П. Колосюка [5, 15, 26], Г.Г. Пивняка [7, 40, 50-52], Ф.П. Шкрабца [7, 50, 53], и др. и раскрыта в направлении формирования защитной функции в случае возникновения электропоражающего фактора от энергетического потока со стороны участковой КТП в трёхфазной электрической сети с изолированной нейтралью трансформатора. В такой сети ток через человека замыкается через проводимость изоляции Zi сети (рис. 1.19), созданную активным сопротивлением Rі, обусловленным качеством изоляционных материалов, и ёмкостным сопротивлением ХС, обусловленным длинами и сечениями кабелей и частотой f тока сети: Zi= =√ (Ri2+Xi2). Нормальный режим работы сети характеризуется равенством в фазах активных (R1=R2=R3) сопротивлений, а также равенством в фазах ёмкостных (Х1=Х2=Х3) сопротивлений. При таких условиях: U1=U2=U3; I1=I2=I3; Un=0; (1.12) где U1, U2, U3 – напряжения фаз относительно земли; I1, I2, I3 – токи утечки фаз на землю; Un – напряжение нейтрали. При симметричном сопротивлении изоляции потенциал нейтрали векторная диаграмма выглядит, как показано на рис.1.20, а. При касании к одной из фаз (например, к фазе А) симметрия сети нарушается, нулевая точка векторной диаграммы занимает новое положение 01 (рис. 1.20, б), а напряжения фаз примут значения: (1.13) U ' = U1 −U N ; U ' = U 2 −U N ; U ' = U 3 −U N •

1

2

3

Указанные соотношения позволяют определить: - ток протекающий через человека: •

' U −U U Iчел = 1 = 1 N Rчел Rчел •

;

(1.14)

- ток через сопротивление изоляции: •

I1 =

'

U1 U1 − U N = Zі Zі

I2 = •

где

'

U2 U2 −UN = Zі Zі •

1

2

∑I = I + I

I3 = •

+ I 3 + Iчел = 0

34

'

U3 U3 − U N = , Zі Zі

(1.15)


Rчел

диэлектрик

Ічел

а

Xиз

б

в

Rчел

ІС

Ічел Іа

Rиз

Rиз

Ічел

ІС

Cіз

г

Іа

д

Рисунок 1.19 – Вероятные варианты касания человеком токоведущих элементов электросети: а − человек стоит на диэлектрическом материале; б − качание 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 в состоянии «в»

Таким образом, полное сопротивление изоляции включено последовательно с сопротивлением человека и выполняет токоограничивающую функцию. Однако, увеличение проводимости изоляции сети является фактором повышения опасности электропоражения. С учётом распределения активного и ёмкостного сопротивлений изоляции ток утечки на землю Іут (ток, протекающий через человека Ічел) определяется по формуле [18]:

І ут = І чел =

UФ Rі ( Rі + 6 Rчел ) Rчел ⋅ 1 + 2 9 Rчел (1 + Rі2ω 2С 2 )

35

(1.16)


А

А

а

б

В

С

С

В

Рисунок 1.20 – Векторная диаграмма фазных напряжений при: а – симметричном сопротивлении изоляции; б – касании человека к фазе

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

I чел =

3U ФωC

2 Rчел ⋅ 1 + 9 Rчел ω 2С 2

(1.17)

Таким образом, общий уровень электрической проводимости изоляции кабельной сети определяется величиной активного и ёмкостного её сопротивлений. Если высокое активное сопротивление изоляции можно поддерживать профилактическими мероприятиями, ограничением количества кабельных присоединений на участке, то ёмкость фаз кабеля определяется только его длиной, сечением и конструкцией (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. Повышение ёмкости изоляции сети обусловит уменьшение её ёмкостного сопротивления, что способствует увеличению тока утечки Іут (через тело человека Іут=Ічел) на землю и этим будет создана угроза электропоражения человека при касании токоведущего проводника, находящегося под напряжением. Тенденция относительно повышения мощностей электромеханического оборудования шахтных технологических установок предполагает увеличение сечений и длин применяемых кабелей, что негативно сказывается на электробезопасности эксплуатации участковых электротехнических комплексов. 36


Ічел Rчел

Ічел

а

Rчел

Rиз

в

б Рисунок 1.21 – Схема сети (а), схема замещения (б) и векторная диаграмма (в), поясняющие принцип компенсации ёмкостного тока утечки на землю

Ток утечки на землю может быть уменьшен компенсацией его ёмкостной составляющей индуктивностью дросселя (рис. 1.21), в соответствии с соотношением: ωC=1/ωL (где С – ёмкость изоляции сети; L - индуктивность компенсирующего дросселя). Общим принципом построения технических средств электрозащиты является безусловная ориентация на выполнение нормативных показателей: - величина безопасного тока через тело человека при продолжительном протекании не может превышать Iчел.max=25 mА; - максимальное безопасное количество электричества, проходящего через тело человека (Rчел=1 кОм) при касании токоведущего проводника составляет q=50 mА·с.

37


Z, Ом 3100

2300

1500

0

40

80

120

U, В

Рисунок 1.22 – Зависимость сопротивления тела человека от напряжения касания [54, 55]

Расчёты параметров электробезопасности при применении мер по защите от электропоражения в шахтных участковых электросетях выполняются с учётом нормируемой величины сопротивления тела человека, которое, в соответствии с ГОСТ 22929-78 составляет 1 кОм [55]. В то же время, исследованиями [56, 57] доказано, что это сопротивление имеет функциональную зависимость от величины напряжения прикосновения и с увеличением этого напряжения - уменьшается (рис. 1.22), что учтено нормативом (ГОСТ 12.1.038-82) при продолжительности прохождения тока по телу человека, бóльшей, чем 0,5 с. С учётом тенденции повышения уровня номинального линейного напряжения шахтных участковых электросетей проблематика обеспечения электробезопасности их эксплуатации, повышения эффективности защиты от электропоражения приобретает ещё бóльшую актуальность.

38


1.5 Устройство и диалектика усовершенствования средств защиты от утечек тока на землю 1.5.1 Принципы определения наличия цепи утечки тока на землю Диалектика развития теории защиты человека от электропоражения в сетях с изолированной нейтралью трансформатора охватывает несколько взаимосвязанных направлений [58]. Простейший принцип выявления цепи утечки на землю предусматривает подключение измерительно-реагирующего элемента (реле) последовательно в цепь оперативного тока при использовании статического компенсатора ёмкости изоляции фаз сети (рис. 1.23, а, б) [18]. Выявление однофазной утечки тока на землю возможно по напряжению (U0) или току нулевой последовательности (рис. 1.23, д) [27]: U& 0 = U 0me jϕ = U m ⋅

e jϕ

1 + 9 Rв2ω 2С 2

,

(1.18)

− модуль напряжения нулевой последовательности; ϕ = arctg 3ωCRв ; U m − амплитуда фазного напряжения. Величина напряжения нулевой последовательности контролируется исполнительным органом К, включенным между нулевой точкой фильтра присоединения Z 0 и землёй (рис. 1.23, в) [26; 27]. Выявление аварийного режима по току нулевой последовательности осуществляется посредством кольцевого трансформатора тока (рис. 1.23, д) [59]. При относительной простоте и высоком быстродействии такие устройства характеризуются невысокой чувствительностью, неспособностью реагировать на симметричные снижения сопротивления изоляции. К недостаткам таких схем можно отнести низкую точность выявления аварийных состояний (из-за использования электромагнитных реле в качестве измерительных средств) и отсутствие самоконтроля состояния устройства, что создаёт опасность неисполнения защитной функции. Существенным недостатком схемы определения утечки тока на землю при подключении обмотки реле в последовательную цепь контролируемого параметра является повышение чувствительности к коммутационным перенапряжениям в сети и, как следствие, - многочисленные ложные срабатывания защиты [60]. где U 0m

39


а)

б)

в)

д)

Рисунок 1.23 - Электрические схемы, поясняющие способы контроля сопротивления изоляции электросети относительно земли: наложение на сеть постоянного оперативного тока (а), контроль выпрямленных токов сети (б), контроль напряжения(в) и тока (д) нулевой последовательности 40


Повышение чувствительности к состоянию утечки тока на землю и точности исполнения защитной функции при использовании реле в качестве измерительного средства было достигнуто при применении дифференциальных схем (рис. 1.24). Их действие основано на сравнении тока в измерительной цепи (Iизм) с эталонным током (Iэт) в двухобмоточном реле К. Магнитные потоки в магнитопроU Uетэт воде реле, наводимые токами Iизм и Iэт, направлены встречно. Это создаёт возR1 можность применить реле с уменьшенIIетэт К ным током срабатывания (Iср) и этим повысить чувствительность схемы заR2 Rіз щиты: U IIвим изм Uвим изм

I ср = I изм − I эт

Rиз

(1.19) Рисунок 1.24 – ДифференциКлассическим примером проальная схема контроля сопромышленной реализации этого принцитивления изоляции сети па является схема аппарата защиты от утечек тока на землю серии УАКИ [50], в котором устройство контроля состояния изоляции выполнено на основе вентильной схемы и двухобмоточного реле (к срабатыванию реле приводит состояние, когда измерительный ток в его рабочей обмотке будет превышать величину тока в тормозной обмотке). Однако схема устройства не позволяет контролировать состояние самого реле, и выявлять его отказ. Совмещение защитной функции и функции самоконтроля состояния элементов устройства автоматической защиты от утечек тока на землю основывается на таком изменении функциональной направленности структурных составляющих защиты, при котором будут иметь место распределение между элементами функции выявления утечки тока на землю (электронная схема сравнения эталонного и оперативного токов) и формирования команды на защитное отключение силового коммутационного аппарата и участковой сети (электромагнитное реле, исходное состояние которого – "включено"). Элементы схемы, связанные с работой реле, должны выполнять простые логические функции, так, что отсутствие одной из таких функций свидетельствовало бы о неработоспособности схемы в целом. Примером реализации этого принципа является схема сравнения измерительного (оперативного) и эталонного токов (рис. 1.25) [6]. В схеме через эмиттер-базовый переход транзистора V1 протекает пульси41


рующий эталонный ток Іэт, имеющий форму прямоугольных импульсов (рис. 1.26). При условии достаточно 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

RRізиз

tп

ti

Дз

1 2

Іет м Iэт м

Rб К

ЕЕ изм вим

2

ti

tп

Ф

ti

2

Е Еет ~

V1 R1 ІIетэт

з

1

ti

Еэт

Рисунок 1.25 – Схема контроля сопротивления изоляции, действующая на принципе сравнения измерительного и эталонного токов

tп

Рисунок 1.26 – Графики изменения эталонного (1) и измерительного (2) токов в схеме контроля по рис. 1.25

Этот ток является меньшим, чем амплитуда эталонного тока Іэт. Потому на протяжении ti протекания импульса тока Іэт транзистор V2 будет заперт. Он отпирается во время паузы (когда Іэт=0) измерительным током Іизм. Вследствие периодического отпирания в коллекторе транзистора V2 будет протекать переменный ток, что является условием поддержания реле К во включенном состоянии. Это позволяет включить автоматический выключатель РУНН КТП. 42


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 приводит к отключению исполнительного реле К. Таким образом, автоматический контроль состояния элементов схемы выявления и защитного отключения цепи утечки тока на землю обеспечивается тремя методами [6]: - формированием искусственного тока утечки при помощи резисторов Rд; - использованием транзисторов V1-V2 в режиме периодического отпирания-запирания; - подключением реле К таким образом, что ток в его обмотке уменьшается как в случае возникновения утечки тока на землю в сети, так и при повреждении его обмотки, диодов выпрямителя, трансформатора Тр. Это даёт возможность отключения реле К при повреждении любого из элементов схемы или нарушении цепей связи аппарата с сетью и заземлителями. Рассмотренный принцип выявления и отключения цепи утечки тока на землю применён в аппаратах защитного отключения сети серий АЗПБ, АЗУР (рис.1.27) [6, 12]. Направлением совершенствования схемотехники выявления утечки тока на землю следует считать применение схем, реагирующих на скорость увеличения оперативного тока I оп , или пропорционального ему электрического параметра, что содействует повышению быстродействия защитного отключения сети.

43


Iэт

Рисунок 1.27 -. Функциональная схема аппарата защиты от утечек тока га землю серии АЗУР

44


1.5.2 Устройство и свойства устройств автоматической компенсации ёмкости изоляции сети Функция ограничения количества электричества в цепи утечки тока на землю может быть реализована путём применения полной компенсации ёмкостных сопротивлений изоляции сети, что в условиях коммутации кабельных присоединений участка может выполняться в автоматическом режиме. Условием применения автоматической компенсации ёмкости изоляции сети является точное, быстродействующее 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.

TV1

-

U = f(Cм)

R1

См

С4 С5 С6

VT1 L1 C1 G

~

C2

L1

С1

См

С2

L2

C3

TV1

L2 +

R1

R4

R2

R3

С3 Вихід Выход

VD2 VD3 VD1

VT1

E

Рисунок 1.28 – Схема измерения ёмкости сети с изменяемым сопротивлением: а - в цепи обратной связи усилителя; б - автономного колебательного контура

Указанным требованиям, в частности, соответствует метод, основанный на изменении коэффициента усиления усилителя, в цепи обратной связи которого подключена измеряемая ёмкость сети (рис. 45


1.28, а) [6]. Цепь, созданная последовательно соединёнными дросселем L2 и конденсатором C3, настраивается на частоту 50 Гц и представляет собой незначительное сопротивление для токов утечки. Поэтому, при возникновении цепи утечки тока на землю почти всё напряжение смещения нейтрали прикладывается к конденсаторам С4-С6. Воздействие напряжения, обусловленного активным сопротивлением дросселя L2 отсутствует в связи с действием фильтра L1C2, настроенного на частоту 50 Гц и создающего значительное сопротивление току промышленной частоты. Частота измерительного напряжения (от генератора G) принимается в десятки раз бóльшей, чем промышленная частота сети. Поэтому сопротивление дросселя L2 измерительному току существенно превышает сопротивление конденсаторов С4-С6 присоединения схемы к сети, а фильтр L2C3 не воздействует на работу измерительной схемы. При изменении ёмкости сети соответственно изменяется эквивалентное сопротивление, включенное 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, которое является функцией ёмкости изоляции сети U=f(Cм). Рассмотренный принцип применён в схемотехнике автокомпенсаторов аппаратов защиты серии АЗУР (рис. 1.27). 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 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 коррек46


ции путём коммутации их составляющих в зависимости от изменения величины ёмкости изоляции сети. Управление процессом предусмотрено от микропроцессорного устройства измерения емкости изоляции сети (рис. 1.29) [61].

Рисунок 1.29 - Структурная схема устройства компенсации ёмкостных токов утечки на землю: 1 – компенсирующий дроссель з немагнитным зазором; 2, 5 – фильтры; 3, 9, 10 – конденсаторы; 4 – генератор тока повышенной частоты; 6 – блок управления; 7, 8 – коммутирующие ключи

1.5.3 Автоматическое закорачивание повреждённой фазы как способ 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. Этим требованиям отвечает принцип принудительного закорачивания на землю фазы, сопротивление изоляции которой уменьшилось до величины, представляющей опасность электропоражения (в случае повреждения изоляции или касания человеком фазного проводника). Структура устройства защиты от утечек тока на землю в сети 1140 В иллюстрируется схемой (рис. 1.30) и предусматривает применение короткозамыкателей повреждённых фаз, которые срабаты47


вают одновременно с защитным отключением сети [6]. Это создаёт возможность "шунтирования" человека на землю (в процессе защитного отключения сети) в случае его касания к токоведущим элементам. Таким образом, защита от утечек тока на землю в шахтной электросети 1140 В кроме средства определения повреждения фазы (ОПФ) и управления защитным отключением силового коммутационного аппарата должна бать дополнена блоком управления короткозамыкателями повреждённой фазы. Устройство выявления и замыкания на землю фазы с повреждённой изоляцией содержит релейный блок (РБ) и три идентичных измерительных блока: "А"; "В"; "С", каждый из которых контролирует величину напряжения между соответствующей фазой и землёй.

ОПФ

Рисунок 1.30 – Схема устройства защитного закорачивания на землю повреждённой фазы 1-3 – фазные короткозамыкатели; 4 – блок выявления повреждения фазы; 5 – блок управления короткозамыкателями

Измерительные блоки фаз "А"; "В"; "С" построены 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 так же уменьшается. Условием срабатывания короткозамыкателя фазы является соотношение: Іфо<Іэт. С целью недопущения ложных срабатываний блока БКЗ его работой управляет блок защитного отключения аппарата защиты. Принцип закорачивания повреждённой фазы сети на землю реализован в аппаратах РУ-1140, АЗУР-4, АЗУР-1МК; АЗУР-4 МК [61]. 48


1.5.4 Применение микропроцессорной схемотехники как средство повышения функциональных свойств устройств защиты от утечек тока на землю Важнейшими показателями работы устройств защиты от утечек тока на землю являются обеспечение: высокой точности измерения тока и быстродействия защитного обесточивания цепи утечки на землю; самоконтроля состояния схемы устройства защиты, а также функции накопления и передачи информации о состоянии изоляции контролируемой сети и параметрах её защитного обесточивания. Этим требованиям соответствуют модернизированные схемы аппаратов АЗУР, в частности: АЗУР-1МК (для сетей напряжения 380/660 В); АЗУР-4МК (для сетей напряжения 660/1140 В) [62]. Схема аппарата (рис. 1.31) состоит из устройства контроля сопротивления изоляции, устройства определения, выбора и шунтирования повреждённой фазы и устройства регистрации, отображения, хранения и передачи данных. Выполненная на основе применения микроконтроллера схема обладает дополнительными свойствами по сравнению с предшествующими разработками аналогичного назначения: автоматической адаптацией к напряжению сети и автоматическим выбором уставок срабатывания без участия оператора; самоконтролем состояния элементов и самодиагностикой состояния схемы со светодиодной индикацией рабочего состояния аппарата; обеспечением параметров электробезопасности в участковой электросети при ёмкости изоляции 2,0 мкФ/фазу; регистрацией и хранением результатов проверки и срабатываний в аварийных случаях (функция "чёрный ящик"); цифровой индикацией и отображением в реальном времени состояния аппарата и параметров защищаемой сети; интеграцией в нижний уровень АСУТП. Таким образом, применение микроконтроллера в качестве базового элемента электрической схемы позволило расширить функциональные свойства аппарата защиты от утечек тока на землю.

49


50

Рисунок 1.31 – Принципиальная схема аппарата АЗУР-4МК


1.5.5 Проблематика обеспечения электробезопасности эксплуатации комбинированных сетей шахтных участковых электротехнических комплексов 1.5.5.1 Типовая структура комбинированного участкового электротехнического комплекса шахты Кроме сетей трёхфазного синусоидального напряжения, защита от утечек тока на землю распространяется на комбинированные электросети, в состав которых входят преобразователи частоты (рис. 1.32) [63, 64]. Структура ПЧ представлена выпрямителем 1 (цепь постоянного тока) с ёмкостным фильтром 2 на выходе и автономным инвертором 3 напряжения, подаваемого на АД потребителя через сглаживающий дроссель 4 (рис. 1.33) [65]. В процессе формирования трёхфазной системы выходных напряжений преобразователя применяется принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ), что обусловливает наличие прямоугольных импульсов в каждой полуволне фазного напряжения (рис. 1.34). ЭДР1 ЭДР2 ЭДП1

АЗ ПЧ

ЭДП2

Рисунок 1.32 – Схема электропитания добычного комбайна з частотноуправляемыми асинхронными двигателями подачи (ЭДП) и неуправляемыми асинхронными двигателями резания (ЭДР): КТПВ – участковая трансформаторная подстанция; АВ – автоматический выключатель; ПВ – взрывобезопасный магнитный пускатель; С – ёмкость изоляции кабеля; АЗ – аппарат защиты от утечек тока на землю; ПЧ - преобразователь частоты

Эта прямоугольность импульсов выходного напряжения инвертора обусловливает наличие в них высокочастотных гармонических 51


составляющих (рис. 1.35), частота и амплитуда которых находятся в зависимости от заданной частоты выходного напряжения ПЧ. 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 защит [64; 66-68]. Поэтому актуальна задача определения свойств преобразователя частоты как источника высокочастотных составляющих тока утечки на землю. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ

ЦЕПЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Рисунок 1.33 – Блочно-структурная схема преобразователя частоты ПЧЭШ-60 добычного комбайна и диаграммы напряжений соответствующих функциональных блоков

1.5.5.2 Свойства преобразователя частоты как источника высокочастотных составляющих тока утечки на землю Свойства преобразователя частоты относительно воздействия на величины электрических параметров в цепи утечки тока на землю в комбинированном электротехническом комплексе участка шахты требуют детального определения, что предусматривает комплексное применение апробированных методов исследования. Схема экспериментального стенда (рис. 1.36) представляет собой структуру ЭТК, включающую: трёхфазный источник линейного 52


напряжения (TV1) 380 В частоты 50Гц (в режиме изолированной нейтрали), питающий нагрузку – асинхронный двигатель (M) с короткозамкнутым ротором, мощностью 15 кВт. В процессе экспериментов регулирование частоты вращения ротора асинхронного двигателя осуществлялось преобразователем частоты (VZ1) типа Danfoss VLT 6002 со звеном постоянного тока [69, 70]. Имитация ёмкостей и активных сопротивлений изоляции кабеля относительно земли между преобразователем частоты и асинхронным двигателем выполнена с использованием магазина ёмкостей и сопротивлений в диапазонах, соответственно, 0÷2 мкФ/фазу; 1÷150 кОм/фазу.

Рисунок 1.34 – Диаграммы напряжения фазы при реализации принципа синусоидальной ШИМ выходного напряжения преобразователя частоты

Рисунок 1.35 – Спектр выходного напряжения инвертора в относительных единицах. Результаты получены в УкрНИИВЭ

Цепь утечки тока на землю представлена соединёнными последовательно миллиамперметрами переменного (РА1), и постоянного тока (PА2) и дополнительным активным сопротивлением (Rут). Параметры тока утечки регистрировались осциллографом (ОСЦ), подключенным к измерительному резистору (R). Общее сопротивление цепи утечки составляет 1 кОм, что согласуется с положениями ГОСТ 22929-78 "Аппараты защиты от токов утечки рудничные для сетей напряжением до 1200 В" [55]. С целью имитации действия заградительного фильтра в фазах кабеля на выходе ПЧ последовательно с АД 53


предусмотрено подключение индуктивностей в диапазоне от 0,1 мГн до 15 мГн. В ходе эксперимента получены массивы мгновенных значений напряжений на измерительном резисторе (R) в цепи однофазной утечки суммарным сопротивлением 1 кОм. Lф UZ1

К1-К3

TV1; UЛ=380 В

M

Блок RC фазы В Сопротивление утечки

R=10 Ом

Rут

Блок RC фазы В

R=910 Ом ~ PA1 - PA2

Блок RC фазы А

Осциллограф

CА К4-К9

Рисунок 1.36 – Схема экспериментального стенда исследования процессов в цепи утечки тока на землю

Величины токов утечки на землю (Іут) определены как отношение среднеквадратического значения массива измеренного напряжения утечки к сопротивлению утечки Rут=1 кОм по формуле: I ут =

n 1 2 × ∑ (U i ) n i =1000

Rвит ;

Rут ;

(1.20)

где U i – массив мгновенных значений напряжения утечки; n – количество элементов массива. Установлено, что однофазный ток утечки, в основном, обусловлен величиной ёмкостной проводимости сети, при отсутствии выходных индуктивных фильтров ПЧ (индуктивности Lф зашунтированы). Основной гармонической составляющей тока утечки является 54


ток высокой частоты, обусловленный напряжением выхода силовой цепи широтно-импульсного модулятора (табл. 1.6). Из анализа таблицы 1.6 следует, что при ёмкости изоляции кабеля Сиз≥0,001 мкФ/фазу, ток утечки на землю превышает допустимое значение по ГОСТ 22929-78 [55]. С учётом ёмкости изоляции шахтных экранированных гибких кабелей наиболее часто применяемых сечений КГЭБУШ 3х70+3х3,5 (Сиз=0,48 мкФ/км); КГЭШ3х50 (Сиз=0,21 мкФ/км), можно утверждать, что комбинированный электротехнический комплекс технологического участка шахты (в состав которого входит преобразователь частоты со звеном постоянного тока), оснащённый гибкими кабелями указанных выше сечений с длинами, превышающими 30 м, представляет собой опасность электропоражения человека [66]. Таблица 1.6 – Величины действующих однофазных токов утечки на землю при сопротивлении утечки 1 кОм и линейном напряжении 380 В (результаты натурного эксперимента) Ёмкость сети (мкФ/ фазу) после преобразователя 0,001 0,005 0,01 0,025 0,05 0,075 0,1 0,2

Действующее значение тока утечки, mА, при частоте преобразователя, Гц Несущая частота Несущая частота 1 кГц 5 кГц 10 25 50 10 25 50 68 69 68 106 105 104 93 95 95 156 130 132 135 130 131 164 163 163 142 138 138 162 158 157 143 142 143 153 147 147 144 143 143 150 143 144 142 141 142 147 142 141 141 137 139 145 139 139

55


а

б

Рисунок 1.37 – Графики зависимости тока утечки на землю от индуктивности заградительного фильтра при разных значениях ёмкости сети: а – несущая частота преобразователя частоты – 1000 Гц; б – несущая частота преобразователя частоты – 5000 Гц 56


Эффективность применения индуктивных фильтров как средства уменьшения влияния высокочастотных составляющих напряжения сети на величину тока утечки на землю может быть определена из анализа исследований на стенде (рис. 1.36) при включении последовательно в фазы сети Lф (Rут=1 кОм). Обобщённые результаты исследования (рис. 1.37) позволяют сделать вывод о том, что при малых ёмкостях изоляции кабелей ЭТК применение фильтра существенно уменьшает величину тока утечки на землю. Последний снижается с увеличением индуктивности фильтра. Однако, при ёмкости изоляции кабелей Сиз≥0,1 мкФ/фазу такое увеличение индуктивности не приводит к однозначному уменьшению тока утечки на землю. При индуктивности заградительного фильтра 0,5 мГн наблюдается увеличение тока утечки до 140 мА. Более выраженное увеличение тока происходит при несущей частоте кГц (рис. 1.37). Причина такого эффекта - резонансные явления в контуре "ёмкость-индуктивность" и наличие высокочастотной составляющей выходного напряжения преобразователя частоты. Конкретизация характера воздействия ПЧ на параметры электробезопасности ЭТК шахты может быть установлена на основе математического моделирования процессов в указанном объекте (рис. 1.38) [71].

Рисунок 1.38 – Схема замещения фрагмента комбинированного шахтного участкового электротехнического комплекса (фрагмент - от ПЧ до АД)

На схеме замещения объекта исследования введены обозначения: EA, EB, EC – фазные ЭДС трёхфазного преобразователя частоты; LФ – индуктивность заградительного фильтра; R, L – эквивалентные приведенные активные сопротивления и индуктивности обмоток 57


асинхронного двигателя; С1, С2, С3 – ёмкости жил силового кабеля относительно земли; R1, R2, R3 – активные сопротивления утечки фаз относительно земли. При обосновании допущений предполагается, что преобразователь частоты формирует на выходе трёхфазную систему напряжений, в спектральный состав каждого из которых входит синусоидальное напряжение, обеспечивающее рабочий режим АД, а также дополнительные гармонические составляющие в определённом диапазоне частот, вызванные коммутационными процессами в полупроводниковом выходном каскаде ПЧ, обусловленные широтно-импульсной модуляцией его выходного напряжения. Кроме этого, в модели предусмотрено: параметры кабельной электросети – сосредоточены; параметры модели электродвигателя – постоянны; индуктивность L-фильтра на выходе преобразователя частоты – линейна и идеальна. Величины токов в элементах расчётной схемы описываются на основе первого закона Кирхгоффа:

⎧− I A + iC 3 + iR 3 + ia = 0; ⎪− I + i + i + i = 0; ⎪⎪ B C 2 R 2 b ⎨− I C + iC1 + iR1 + ic = 0; ⎪i + i + i = 0; ⎪a b c ⎪⎩ I A + I B + I C = 0;

1.21)

Соотношения электрических потенциалов расчётной схемы описываются уравнениями (1.22) [72]. После решения уравнений относительно производных соответствующих токов и напряжений, представления системы дифференциальных уравнений в форме Коши и приведения к нулевым начальным условиям, математическая модель объекта исследования (2.4) будет иметь вид (1.24), где I A (0) = 0 , I B (0) = 0 , I C (0) = 0 ia (0) = 0 , ib (0) = 0 , ic (0) = 0 , U C1 (0) = 0 , U C 2 (0) = 0 , U C 3 (0) = 0 .

58


dia dic dI C ⎧ dI A + + − − − = E A − EC ; L L Ri L Ri L a c ф ⎪ ф dt dt dt dt ⎪ ⎪ L dI B + L dib + Ri − L dic − Ri − L dI C = E − E ; b c ф B C ⎪ ф dt dt dt dt ⎪ ⎪ Lф dI A + R3iR 3 − R2 iR 2 − Lф dI B = E A − EB ; ⎪ dt dt ⎪⎪ dI dI A + R3iR 3 − R1iR1 − Lф C = E A − EC ; ⎨ Lф dt dt ⎪ dI B ⎪ dI A L R i U L + − − = E A − EB ; C2 ф 3 R3 ⎪ ф dt dt ⎪ ⎪ L dI A + R i − U − L dI B = E − E ; C1 ф A C 3 R3 ⎪ ф dt dt ⎪ ⎪ R3iR 3 + U C 3 = 0; ⎪⎩

(1.22) Исследования параметров ЭДС преобразователя частоты выполнены на основе моделирования ПЧ с квазиоднополосной модуляцией (ПЧ с КМ) [71]. В этом преобразователе реализуется многоканальный способ преобразования параметров электромагнитной энергии сети, в соответствии с которым в блоке силовых модуляторов выполняется распределённая пофазная модуляция напряжения ui, частоты ω1 трёхфазной сети соответствующими им эквивалентными модулирующими действиями трёхфазной системы с частотой ω2. Модель включает многопараметрическое алгоритмическое уравнение, описывающее процессы формирования выходного напряжения u1(N,t) преобразователя: 3

u1 ( N , t ) = ∑ u 2 (i, t )ψ МЭ (i ) ( N , t , i) i =1

(1.23)

2(i − 1)π ⎞ ⎛ u i t E ω t ( , ) = sin − ⎜ ⎟ – мгновенные значения фазных m 1 где 2 3 ⎝ ⎠ напряжений сети; Em – амплитуда фазного напряжения, i=1, 2, 3; N – число инверторов силового модулятора напряжения сети i-й фазы [73].

59


⎧− I A + iC 3 + iR 3 + ia = 0; ⎪− I + i + i + i = 0; ⎪ B C 2 R2 b ⎪− I C + iC1 + iR1 + ic = 0; ⎪ ⎪ia + ib + ic = 0; ⎪ I + I + I = 0; B C ⎪ A ⎪ dI A R1iR1 + R2 iR 2 - 2 R3iR 3 + U C1 + U C 2 + 2 E A - 2 EC ⎪ dt = 2 LФ ⎪ (1.24) ⎪ dI B R1iR1 - R2 iR 2 + U C1 - U C 2 + 2 EB - 2 EC ⎪ dt = 2 LФ ⎪ ⎪ dI C - R1iR1 + R3iR 3 − U C1 + U C1 - E A - EB + 2 EC (2.4) ⎪ dt = 3LФ ⎪ ⎨ di -3R1iR1 − 3R2 iR 2 + 6 R3iR 3 − 3U C1 + 3U C 2 − 4 Ria + 2 Rib + 4 Ric − 2 E A − 2 EB + 4 EC ⎪ a = 6L ⎪ dt ⎪ dib -3R1iR1 + 3R2iR 2 − 3U C1 + 3U C 2 + 2 Ria − 4 Rib − 2 E A + 4 EB + 4 EC = ⎪ dt 6L ⎪ ⎪ dic 3R1iR1 − 3R3iR 3 + 3U C1 - 3U C 2 + Ria + Rib - 2 Ric + 2 E A + EB − 4 EC ⎪ dt = 3L ⎪ ⎪ dU C1 = 1 i C1 ⎪ dt C1 ⎪ 1 ⎪ dU C 2 ⎪ dt = C iC 2 2 ⎪ ⎪ dU C 3 1 ⎪ dt = C iC 3 3 ⎩

Для силового модулятора напряжения любой фазы, состоящего из N инверторов, эквивалентное модулирующее действие любого n-го из них представим модулирующей функцией вида: ⎛ ⎡ 2(i − 1) ⎤ ⎞ ψ ЭМ (i ) (n , N, t ) = ∑ sign ⎜⎜ sin ⎢ω 2 t ± α 0 ± α1 ( t ) + (n − 1)β n − ⎟⎟ ⎥ π ⎦⎠ 2 ⎝ ⎣

(1.25)

где α0 – половина временнóго интервала продолжительности нулевой паузы в кривой выходного напряжения n-го инвертора; βn – начальная фаза выходного напряжения n-го инвертора; α1(t) – угол управления, изменение которого во времени обеспечивает широтно-импульсную модуляцию выходного напряжения каждого инвертора и, тем самым, регулирование выходного напряжения ПЧ. Учитывая структуру такого преобразователя, подключенного к трёхфазной сети промышлен60


ной частоты, эквивалентное модулирующее действие любого из трёх силовых модуляторов удовлетворяет соотношению: ψ

Э М (i )

⎛ ⎡ 2(i − 1)π ⎤ ⎞ ( N, t , i) = ∑∑ sign ⎜⎜ sin ⎢ω 2 t ± α 0 ± α 1 ( t ) + (n − 1)β n − ⎟ 3 ⎥⎦ ⎟⎠ n =1 2 ⎝ ⎣ N

(1.26)

Рисунок 1.39 – Фрагмент осциллограммы ёмкостного тока утечки на землю в цепи утечки с сопротивлением R1=1 кОм. Активные сопротивления изоляции: R2=R3=500 кОм; ёмкостные сопротивления изоляции каждой фазы С1=С2=С3=0,15 мкФ/фазу

Выражение (1.30) позволяет определить параметры выходных ЭДС ПЧ с КМ. При соответствующем нормировании выражения (1.32) относительно питающего напряжения может быть выполнено математическое описание электромагнитных процессов в двухзвенных преобразователях частоты. Поскольку условием применения комбинированных сетей в составе шахтных электротехнических комплексов является обеспечение электробезопасности их эксплуатации, актуальным представляется определение параметров тока в цепи утечки на землю (Rут=1 кОм) и свойств технических средств снижения величины этого тока. Характерной особенностью является то, что ток в цепи утечки на землю на выходе ПЧ – импульсный (рис. 1.39). Частота импульсов согласуется с несущей частотой, а форма обусловлена способом модуляции и величиной ёмкости изоляции кабеля относительно земли. Установлено, что при ёмкости изоляции кабеля, превышающей 0,001 мкФ/фазу действующее значение тока утечки на землю превышает нормируемую (безопасную) величину (табл. 1.7; табл. 1.8) [55]. Токоограничительные свойства заградительных фильтров (относительно высших гармоник тока) оказались недостаточными в контек61


сте ограничения тока в цепи утечки на землю на выходе ПЧ до нормируемой безопасной величины (рис. 1.40 и 1.41) [72]. Таблица 1.7 – Действующие значения однофазных токов утечки на землю при сопротивлении утечки 1 кОм и линейном рабочем напряжении сети 660 В Ёмкость сети (на фазу), после преобразователя, мкФ 0,0005 0,001 0,005 0,01 0,025 0,05 0,075 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Действующее значение тока утечки на землю, mА, при частоте напряжения на выходе преобразователя, Гц Несущая частота 1 кГц Несущая частота 5 кГц 10 25 50 10 25 50 75 74 72 91 89 87 98 96 95 120 118 117 110 107 105 124 123 120 160 155 155 170 170 168 184 180 180 190 188 187 210 205 204 215 214 213 224 223 220 234 232 231 245 243 242 250 249 248 268 268 267 270 268 267 272 270 268 272 269 268 270 270 269 270 269 269 269 268 268 269 268 267

Высокочастотные составляющие в токе утечки на землю в сети ПЧ способны не только повысить величину этого тока, но и воздействовать на оперативный параметр устройства защиты. Процесс формирования факторов воздействия со стороны преобразователя частоты на работу аппарат защиты (АЗ) от утечек тока на землю иллюстрируется рис. 1.42 и состоит в появлении нескольких составляющих оперативного тока АЗ с воздействием на параметры срабатывания защиты. Это обусловливает необходимость применения комплекса технических средств защиты от электропоражения в комбинированной электросети шахтного участка (аппаратура АЗУР-4ПП, рис. 1.43) [64].

62


Таблица 1.8 – Действующие значения однофазных токов утечки на землю при сопротивлении утечки 1 кОм и линейном рабочем напряжении сети 1140 В Ёмкость сети (на фазу), после преобразователя, мкФ 0,0005 0,001 0,005 0,01 0,025 0,05 0,075 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5

Действующее значение тока утечки на землю, mА, при частоте напряжения на выходе преобразователя, Гц Несущая частота 1 кГц Несущая частота 5 кГц 10 25 50 10 25 50 132 135 130 141 144 142 139 138 138 142 145 145 168 167 165 170 169 167 211 209 206 215 212 210 230 228 226 235 232 230 260 257 255 261 258 257 289 285 284 290 288 286 346 340 325 347 342 330 380 375 348 379 375 347 382 378 350 382 377 349 381 378 348 380 378 350 380 375 347 380 377 348

Далее защитную функцию будет продолжать выполнять блок 2 компенсации ёмкостных токов утечки, а блок 3 будет выявлять повреждённую фазу с дальнейшим автоматическим её подключением 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 1 с замыкает между собой три фазы на выходе ПЧ и, тем самым (на это время), прекращает воздействие на сеть от ЭДС асинхронного двигателя горной машины.

63


Рисунок 1.40 – Графики зависимости тока утечки на землю от индуктивности L-фильтра при разных значениях ёмкости кабеля (несущая частота ПЧ 1000 Гц)

Рисунок 1.41 – Графики зависимости тока утечки на землю от индуктивности L-фильтра при разных значениях ёмкости кабеля (несущая частота ПЧ 5000 Гц) 64


M

УВПФ

Rут1

Rут2 Іут2

АЗ

Іут1

Рисунок 1.42 – 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 – оперативный ток АЗ; Іут – ток утечки на землю; Rут – сопротивление утечки на землю; Rш – шунтирующее сопротивление АЗ

Разделение участковой сети на две цепи при возникновении утечки тока на землю в присоединении ПЧ обеспечивает несрабатывание блока защитного заземления повреждённой фазы в магистрали защищаемой сети (блок 3) и поддержание функционирования компенсатора 2 ёмкости изоляции магистрали в штатном режиме, поддерживая безопасное состояние силовых присоединений. С целью устранения воздействия цепи постоянного тока на работу защиты при возникновении в этой цепи опасного тока утечки на землю (появление напряжения между фазой сети и землёй, направленного встречно измерительному напряжению аппарата защиты) предусмотрен 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 участковой сети энергетических потоков со стороны КТП и сопровождается компен65


сацией ёмкостной составляющей сопротивления изоляции сети и закорачиванием на землю повреждённой фазы (в сети напряжения 1140 В). Однако, отключением силовых присоединений от источника питания не прекращается ток в цепи утечки на землю, поскольку не исключается функция воздействия со стороны обратных ЭДС АД потребителей, продолжительность которых обусловлена постоянной времени соответствующих электрических машин, находящихся в состоянии свободного выбега.

Рисунок 1.43 – 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 КТП; 6 – силовая полупроводниковая схема ПЧ; 7 коммутационный аппарат; 8 – блок принудительного отключения; 9 – короткозамыкатель; 10 – блок контроля сопротивления цепи постоянного тока

1.5.6 Схемные отличия устройства защиты от утечек тока на землю в участковой сети номинального напряжения 3300 В Существующая тенденция относительно увеличения мощности электроприводов технологических установок шахты обусловливает целесообразность перевода участковых электросетей на повышенные уровни номинального напряжения. Учитывая мировой опыт и рекомендованные мощности перспективных рудничных электроприводов, следует предположить, что следующей величиной номинального дей66


ствующего линейного напряжения шахтного участкового электротехнического комплекса будет уровень в 3300 В, что усложняет задачи обеспечения нормативных параметров электробезопасности эксплуатации электрооборудования и требует коррекции параметров защит от утечек тока на землю. Это, прежде всего, касается продолжительности протекания тока утечки на землю и срабатывания АЗ, что в совокупности не должно превышать 0,05 с и обусловливает необходимость совершенствования схемы аппарата защиты от утечек тока на землю. Устройством защиты, адаптированным к функционированию в сети номинального напряжения 3300 В является аппарат АЗУР-5. Его схема (рис. 1.44) интегрирует в себе положительные свойства предшествующих образцов защиты [73; 74]. АК – автоматический компенсатор БОР – блок определения режима работы БФС- блок фильтра сопряжения ИР – исполнительное реле БКПФ- блок короткозамыкателей и выявления повреждённой фазы ИЭТ – источник эталонного тока БС – блок сравнения БФ – блок форсировки реле УОТ – управляемый ограничитель тока ИОН – источник оперативного напряжения ДЗ – дополнительный заземлитель БФДЗ – блок фильтра дополнительного заземлителя

ИОН УОТ

БОР

ИЭТ

БС

ИР

К нулевому расцепителю автоматического выключателя КТП

Рисунок 1.44 – Функциональная схема устройства автоматической защиты от утечек тока на землю АЗУР-5

Информационным параметром относительно определения наличия и величины тока утечки на землю в участковой сети является оперативный ток, создаваемый источником оперативного напряжения. Его величина задаётся управляемым ограничителем (УОТ) в соответствии с режимом работы защиты (что определяется блоком БВР). В отличие от модификаций, предназначенных для работы в сети под. напряжением 660 В и 1140 В, присоединение цепи оператив67


ного тока к фазам участковой сети осуществляется через общую точку соединённых по схеме "звезда" вторичных обмоток w2 трансформатора TV участковой КТП. Такое подключение схемы к точке нулевого потенциала сети существенно повышает безопасность и ресурс устройства защиты (АЗУР-5). Повышение быстродействия защитной функции обеспечивается форсированием срабатывания реле. Соответствующий блок (БФ) реагирует на величину дифференциальной составляющей тока утечки на землю. Таким образом, выходным сигналом для устройства управления исполнительным реле аппарата защиты АЗУР-5 является параметр, обусловленный совокупностью выходных параметров блоков сравнения (БС) и форсирования (БФ). Отличительным свойством БС является поддержка определённой формы сигнала, соответствующего работоспособному состоянию схемы АЗУР-5. Этим реализуется принцип самоконтроля состояния схемы на основе выявления "деформации" выходного сигнала БС. Общим выводом относительно применения аппаратуры защиты от утечек тока на землю является утверждение о способности современных средств защитного отключения ограничивать на безопасном уровне ток в цепи утечки и количество электричества (указанные параметры обусловлены энергетическим потоком со стороны участковой комплектной трансформаторной подстанции участка). Достаточные параметры электробезопасности обеспечиваются применением в совокупности апробированных способов выявления и измерения тока утечки (на основе сравнения эталонного и оперативного параметров АЗ) и принципов токоограничения в цепи утечки на землю (компенсация ёмкостной составляющей тока, автоматическое быстродействующее закорачивание на землю повреждённой фазы; ускорение измерения тока утечки на основе выявления его производной по времени). Опасное состояние сети не прекращается после защитного отключения, поскольку питание цепи утечки на землю (после её отсоединения от выходных зажимов КТП и прекращения действия короткозамыкателя (в случае его наличия) устройства защиты) будет осуществляться от обратного энергетического потока АД (совокупности двигателей) потребителя (потребителей) участка. Поддержанию обратных токов АД содействуют их пускатели, контакторы которых будут находиться определённое время во включенном состоянии после отключения АВ из-за подпитки схем пускателей обратными ЭДС 68


двигателей. Это обусловливает актуальность исследований вопросов устранения (подавления) воздействия обратных энергетических потоков АД в шахтных участковых электросетях относительно силовых присоединений с цепями утечки тока на землю и повышенными междуфазными проводимостями. 1.6 Свойства устройств токовой защиты электротехнических комплексов шахтных участков и средств токоограничения при аварийных состояниях 1.6.1 Свойства средств максимальной токовой защиты электросетей шахтных участков Большинство известных технических решений в области максимальной токовой защиты в ЭТК участка шахты отрабатывают функцию выявления тока к.з. со стороны источника питания (КТП) и быстродействующего отключения энергетического потока этого источника от повреждённого присоединения. Соответствующие исполнительные устройства можно разделить на устройства непосредственного и косвенного действия (рис. 1.45). Последние приводятся в работу по командам устройств выявления тока к.з. Основной принцип выявления тока короткого замыкания, который отрабатывается средствами максимальной токовой защиты шахтных участковых сетей – сравнение фактического тока сети с заданным током уставки и формирование команды на отключение коммутационного аппарата в случае превышения этим током величины уставки. Этот принцип отрабатывается как средствами непосредственного измерения тока (максимальные расцепители в автоматических выключателях) так и устройствами косвенного действия (рис. 1.46). В устройствах косвенного действия (УМЗ, ПМЗ, БТЗ и др.) измеряемый параметр создаётся вторичными токами трансформаторов тока, сравнительная функция отрабатывается электрической схемой, в которой предусмотрена возможность регулирования уставки срабатывания [12, 40]. Характерной особенностью схем косвенного действия является наличие релейного исполнительного органа, что обусловливает функциональную зависимость собственного времени срабатывания защиты от величины тока в сети (рис. 1.47). 69


Косвенного действия

Контроль фазы смещения тока относительно напряжения Контроль скорости изменения величины тока

Измерительные контролирующие устройства

Контроль величины тока

Прямого действия

Реле максимального тока (максимальный расцепитель)

Прямого действия Исполнительные устройства Косвенного действия

Плавкие предохранители

Формирование сигнала на защитное отключение короткого замыкания

Функция защитного отключения присоединения с коротким замыканием от источника питания

Автоматические выключатели Контакторы пускателей

Рисунок 1.45 – Классификация средств защиты электротехнического комплекса участка шахты от короткого замыкания

Аналогичным свойством отличаются и, непосредственно, автоматические выключатели силовых электрических сетей [12, 13, 75]. Рассмотренные технические решения предусматривают определённое время срабатывания защиты, в течение которого протекание тока (и соответствующая тепловая перегрузка) аварийного силового присоединения будут поддерживаться. Учитывая опасность взрыва метановоздушной смеси в условиях шахты от воспламенения в месте возникновения к.з., 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. Примером реализации функции контроля скорости нарастания тока в сети является схема быстродействующей токовой защиты БМЗ, где предусмотрена реакция стабилитрона на величину напряжения, формируемого в пропорциональности к скорости изменения тока нагрузки [77]. 70


Максимальный расцепитель - контролирует, непосредственно, величину тока в электросети; функция срабатывания – перемещение якоря под действием магнитного потока в магнитопроводе; объект воздействия – механизм свободного расцепления АВ. В современных версиях расцепителя функция оперативного регулирования уставки срабатывания – отсутствует. 1 – магнитопровод; 2 – силовая шина фазы сети; 3 – проверочная катушка; 4 пружина механизма настройки уставки срабатывания; 5 – якорь; 6 -рычаг механизма расцепления АВ

6

К расцепителю

~ 48 V В цепь сигнализации

Проверка

Защита ПМЗ – контролирует вторичный токовый параметр – величину выходного тока трансформаторов тока ТА, функция срабатывания (реле К) – воздействие на схему управления контактором пускателя; расцепитель автоматического выключателя – отключение соответствующего коммутационного аппарата. Функция измерения параметра вторичного тока выполняется электронной схемой. Электромагнитное реле выполняет исключительно исполнительную функцию

Рисунок 1.46 – Анализ свойств типовых средств максимальной токовой защиты силового электрооборудования технологических комплексов участков шахт

1.6.2 Защитная функция гибких кабелей с параметрами взрывобезпасности Нестационарность размещения 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 механиче71


t ср. mc

ского повреждения гибкого кабеля и появления состояний междуфазного дугообразования либо ко1 роткого замыкания, сопровождаемых значительным повышением тока. Такие токовые перегрузки являются причинами перегрева изоляции жил в цепях короткого замыка2 ния, возникновения междуфазного дугообразования и воспламенения. Установлено [77], 1 2 3 4 5 6 Ік/Іуст. что в случае возникновения электрической дуги Рисунок 1.47 – Графики зависимости под оболочкой кабеля собственного времени срабатывания блоков УМЗ (1) и ПМЗ (2) от кратности температура нагрева её тока к.з. к току уставки поверхности является случайной величиной, распределённой по нормальному закону Гаусса, а доверительный интервал с вероятностью р=0,99 составляет 87 ºС. При этом в случае возникновения междуфазной дуги оболочка кабеля повреждается увеличенным давлением, что так же является случайной величиной, распределённой по нормальному закону Гаусса с доверительным интервалом р=0,95 и находится в интервале 0,02-1,18 МПа. Статистика аварий [78] свидетельствует, что причиной возгораний более 40% гибких кабелей в шахтах являются междуфазные к.з. силовых жил. Именно воздействие на кабель со стороны средств механизации добычного участка приводит к повреждению защитной шланговой оболочки и изоляции с одновременным замыканием жил на землю или между собой. Такие состояния возникают как при внешнем повреждении, так и при внешнем сдавливании, что сопровождается раздавливанием изоляции силовых жил и их прижатием к неизолированной заземляющей жиле. Следовательно, шахтный гибкий экранированный кабель – единственное электротехническое изделие в системе электроснабжения участка, которое не относится к взрывозащищённому электрооборудованию. 72


11 10

1 2 3 4 5

9

6

8

Рисунок 1.48 - Устройство гибкого экранированного взрывозащищённого шахтного кабеля марки КГЭШуС-ПБ: 1 – силовая жила; 2 – вспомогательная жила; 3 – заземляющая жила; 4 – сепаратор; 5 – изоляция силовых и вспомогательных жил; 6 – электропроводный экран; 7 – упрочняющие элементы; 8 – электропроводная оболочка; 9 – внутренняя оболочка; 10 – медно-стальная оплётка; 11 – внешняя оболочка

Рисунок 1.49 – Схема электроснабжения потребителя при использовании кабеля КГЭШуС-ПБ в состоянии возникновения междуфазной цепи короткого замыкания

Воздействующим фактором относительно взрыва метановоздушной смеси является создание источника достаточной тепловой энергии в точке повреждения кабеля. Поэтому мерами предотвращения возникновения данной опасности являются ограничение времени существования токовой перегрузки и ограничение величины тока перегрузки в цепи к.з. Требованиям взрывобезопасности соответствует 73


шахтный экранированный гибкий упрочнённый кабель повышенной безопасности марки КГЭШуС-ПБ (рис. 1.48) в котором предусмотрено шесть силовых жил 1, т.е. – расщепление каждой фазы на две жилы [77]. Особенностью конструкции кабеля является также расщепление заземляющей жилы на три жилы, каждая из которых покрывается электропроводным поливинилхлоридным пластикатом (электропроводным экраном) 6. Конструкция этого кабеля делает невозможным одновременное повреждение обеих жил фазы при их сжатии, поскольку силовые проводники каждой фазы распределены в пространстве. Поэтому аварийное состояние будет определяться замыканием между отдельными ветвями фазных проводников (рис. 1.49). Это позволяет снизить величину тока двухфазного к.з. в 1,3-1,8 раза относительно тока к.з. в трёхфазном кабеле (рис. 1.50), что достигается шунтированием дугового промежутка неповреждённой жилой этой же фазы.

Рисунок 1.50 – Кривые токов короткого замыкания в кабелях КГЭШ 3х50 (1) и КГЭШуС-ПБ 6х25 (2) в зависимости от длины L кабеля [77]

Установлено, что при дуговых процессах в кабеле продукты термического разложения изоляционного пластиката снижают продолжительность горения электрической дуги до 30 mс, а сама оболочка кабеля может выдерживать внутреннее давление в 2,0 МПа. Эти свойства позволяют предотвратить воспламенение кабеля в случае возникновения в нём цепи двухфазного к.з. (из-за повреждения 74


изоляции силовых жил вследствие внешнего сдавливания) в течение времени срабатывания максимальной токовой защиты. Другим вариантом реализации токоограничения во время срабатывания максимальной токовой защиты является автоматическое включение индуктивностей (управляемый реактор с полупроводниковым коммутатором) последовательно в фазы сети между источником питания и точкой к.з. [78]. Однако в составе рудничных участковых электротехнических комплексов этот способ не применяется. Общим положением следует считать целесообразность токоограничения в процессе защитного отключения участковой электросети как дополнительный способ снижения мощности теплового импульса в месте возникновения к.з. Но это не исключает необходимости и практической актуальности исследований и разработок в области повышения скорости определения и обесточивания цепи короткого замыкания в кабельной сети шахтного технологического участка. 1.6.3

Устройство и проблематика применения системы опережающей защиты рудничных электроустановок

Инерционность обесточивания места повреждения кабеля при использовании существующих защитных и коммутирующих устройств не согласуется с параметрами быстродействия обесточивания, определёнными по критерию предотвращения взрыва метановоздушной смеси (рис. 1.51) [15]. В соответствии с этим нормативно определена продолжительность 2,5 mc защитного обесточивания силового присоединения при возникновении аварийного состояния, в течение которой исключается вероятность достижения тепловым импульсом энергии, достаточной для воспламенения метано-воздушной смеси [79-81]. Известный принцип ускоренного обесточивания аварийного присоединения состоит в объединении функций отключения сети и создания искусственной цепи к.з. всех трёх фаз непосредственно на выходе силового коммутационного аппарата. Это было реализовано схемой автоматического быстродействующего выключателя АБВ-250 при использовании устройства быстродействующей токовой защиты типа БМЗ (с функцией выявления скорости нарастания тока сети) [12, 81]. Защитное отключение силового присоединения, объединённое с функцией искусственного к.з. его фаз стало основой создания систе75


мы ускоренного обесточивания участковой электросети шахты (рис. 1.52), которая получила определение как система так называемой "опережающей" защиты и обусловила соответствующее положение нор-мативного документа (п.5.2.2 ПБ) в части применения и быстродействия защитного срабатывания (2,5 mc) в электросети очистных и подготовительных выработок пластов крутого падения, опасных по внезапным выбросам угля и газа [82]. Эта система предусматривает применение кроме автоматического быстродействующего выключателя АБВ-250 средств защитного закорачивания непосредственно, силовых выводов асинхронных двигателей потребителей (короткозамыкателей типа ПМК и ПМКВ) и модифицированных пускателей ПВИ250-АБВ, или подобных (рис. 1.52) [79-81]. Однако этому техническому решению присущ ряд существенных недостатков, среди которых: - управление отделением от сети обратного энергетического потока АД в случае повреждения питающего кабеля (рис. 1.53) выполняетt, мс ся по командам, которые должны поступать от автоРисунок 1.51 – Зависимость вероятности матического выключателя взрыва (З) метано-воздушной смеси от времени защитного обесточивания участка к короткозамыкатеповреждённого кабеля [15] лю статора по сигнальным жилам этого же кабеля. При 76


повреждении сигнальных жил кабеля одновременно с силовыми (в случае к.з.) защита теряет работоспособность (т.к. управление короткозамыкателем статора АД становится невозможным); - включение короткозамыкателей подчинено срабатыванию автоматического выключателя со стороны КТП и производится не в момент выявления аварии, а с задержкой; - ошибка персонала при подключении сигнальных жил кабеля к проходным зажимам пускателя приведёт к разрыву канала передачи управляющих команд; - ложное срабатывание короткозамыкателей вызовет трёхфазное к.з. в шахтном участковом ЭТК, что недопустимо. Кроме этого, срабатывание короткозамыкателей вызывает токовые динамические перегрузки асинхронного двигателя. Отмеченные недостатки обусловили отказ (в настоящее время) от производства технических средств системы т.н. "опережающей" токовой защиты, однако промышленное использование этой схемы доказало принципиальную возможность применения быстродействующего обесточивания точки короткого замыкания в кабеле питания АД путём отделения энергетических потоков как со стороны питающей трансформаторной подстанции, так и со стороны статора двигателя аварийного присоединения. Принципиально важным является то, что отделение обратного энергетического потока асинхронного двигателя должно происходить по команде автономно действующего средства выявления опасного состояния силового присоединения (без необходимости подчинения его работы управляющей команде внешнего защитного устройства) и одновременно со срабатыванием защитного устройства со стороны трансформаторной подстанции. Анализ особенностей устройства и эксплуатации шахтных участковых электротехнических комплексов свидетельствует, что общими признаками этих объектов являются: - применение асинхронных двигателей преимущественно средней и высокой мощности в качестве приводных в составе оборудования технологических машин и установок; - распределённость кабельных линий и применение не бронированных, а гибких экранированных шахтных кабелей для электропитания не стационарно размещённых потребителей.

77


78

Рисунок 1.52 - Структурная схема системы электроснабжения шахтного участка с быстродействующим защитным обесточиванием точки к.з.

М2

М1


Кроме этого, для данных объектов характерны: - высокая вероятность повреждения гибких кабелей, учитывая их ограниченную прочность и сложность условий эксплуатации в шахте; - наличие средств защиты от к.з. (в составе схем автоматических выключателей и пускателей) и от утечек тока на землю (с функцией воздействия на автоматический выключатель КТП), действие которых состоит в отделении энергетического потока со стороны питающей трансформаторной подстанции от места повреждения сети; - обязательность применения защиты от утечек тока на землю в шахтных участковых электросетях определена действующими нормативными документами по электробезопасности эксплуатации рудничного электрооборудования. Функция этой защиты распространяется на трёхфазные сети промышленной частоты, сети постоянного тока и комбинированные трёхфазные сети с преобразователями частоты; - принцип выявления цепи утечки тока на землю, применяемый в современных аппаратах защиты, основанный на сравнении оперативного и эталонного параметров, применении реле в качестве исполнительного устройства с нормально включенным состоянием и входного фильтра в цепи оперативного тока обеспечивает достижение достаточного быстродействия и точности отработки защитной функции, контроль исправности схемы защиты. Функция ограничения количества электричества в цепи утечки тока на землю обеспечивается объединением функций быстродействующего отключения напряжения питания сети и замыкания на землю повреждённой фазы через сопротивление малой величины – распространяется на составляющие силовых присоединений сети на всё время их гальванической связи с цепями выхода КТП и прекращается в силовых присоединениях на выходах коммутационных аппаратов ЭТК после их отключения; - обратные энергетические потоки АД потребителей, находящихся в режиме выбега, способны поддерживать во включенном состоянии контакторы пускателей, создавать уравнительные токи в участковой электросети и осуществлять электропитание аварийных мест (цепь утечки тока на землю, место возникновения короткого замыкания) после защитного отключения напряжения питания ЭТК. Этим создаются опасные условия эксплуатации шахтного участкового электротехнического комплекса, что обусловливает целесообразность 79


отделения обратных энергетических потоков АД от мест повреждения электросети (в случае возникновения в ней аварийных или опасных состояний). Попытка применения в предшествующие годы защиты с функцией опережающего обесточивания аварийного присоединения по отношению к моменту возникновения взрыва метано-воздушной смеси доказала целесообразность быстродействующего отделения от электросети обратных энергетических потоков АД, одновременно со срабатыванием средств защитного отключения и неприемлемость подчинения действия средств отделения обратных ЭДС АД воздействию внешнего централизованного устройства защиты. Тенденция относительно повышения мощностей технологических установок участка шахты предполагает применение напряжения повышенного номинального уровня, кабелей увеличенных длин и сечений. В совокупности, это обусловливает увеличение времени существования опасного уровня тока в аварийной точке кабеля, генерируемого обратным энергетическим потоком АД или совокупностью двигателей многомашинного электротехнического комплекса. Кроме того, это обусловливает усиление влияния коммутационных переходных процессов относительно электрических параметров структурных составляющих ЭТК, что подтверждает целесообразность исследования динамических состояний участковых электросетей повышенной мощности (с увеличенными параметрами ёмкости изоляции кабелей). Таким образом, практическую актуальность приобретает задача повышения эффективности эксплуатации современных рудничных участковых электротехнических комплексов на основе развития теории и принципов построения средств их защитного обесточивания.

80


РАЗДЕЛ 2 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В КОНТЕКСТЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ КОММУТАЦИИ СИЛОВЫХ ПРИСОЕДИНЕНИЙ УЧАСТКОВОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ШАХТЫ 2.1 Определение особенностей воздействия коммутационного переходного процесса на величины электрических параметров электротехнического комплекса как актуальная задача совершенствования методики исследования его динамических состояний Эффективность эксплуатации шахтных ЭТК обусловливает актуальность определения степени влияния динамического состояния участковой электросети относительно препятствования выполнению защитных функций. Поскольку участковая электросеть постоянно находится под контролем со стороны источника оперативного параметра аппарата защиты от утечек тока на землю, указанную задачу целесообразно решить в контексте исследования динамических процессов в системе "распределённая кабельная сеть – устройство формирования оперативного параметра АЗ" в условиях коммутации силовых присоединений. Несмотря на отсутствие статистических данных относительно ложного срабатывания АЗ из-за действия коммутационных переходных процессов в сетях с нормируемыми показателями ёмкости изоляции кабелей, случаи таких срабатываний при эксплуатации предыдущих разработок АЗ (последовательное подключение измерительного элемента в цепь оперативного тока) имели место. Кроме этого, контакторная коммутация силовых кабельных присоединений из-за зарядно-разрядных процессов в отношении ёмкости изоляции [83, 84], создаёт импульсы перенапряжений, воздействие которых на электрические параметры структурных составляющих ЭТК требует отдельных исследований. Это тем более актуально, учитывая принципиальную возможность (необходимость) применения кабелей увеличенных длин и сечений при эксплуатации электромеханического оборудования повышенной мощности и вероятность увеличения ёмкостей изоляции силовых присоединений сверх нормируемых (в настоящее 81


время) показателей. Влияние контакторной коммутации силового присоединения иллюстрируется осциллограммами, полученными при исследовании стенда (рис. 2.1) и определяет зависимость амплитуды оперативного параметра АЗ от величины ёмкости изоляции сети и коммутируемого присоединения. S=400 кВА

SA

KM

UАВ

M1

Р=55 кВт АЗ (АЗУР-1; АЗУР-4)

1-й канал

UРЕ

UОП

2-й канал

UРЕ

UОП

UК R= 20÷40 кОм С=0,1÷1,5мкФ ОСЦИЛЛОГРАФ

Рисунок 2.1 - Схема стенда для исследования влияния коммутационных переходных процессов на параметры контролируемого сигнала в схеме аппарата защиты от утечек тока на землю (типа АЗУР)

Общим свойством процесса является формирование импульса оперативного параметра (Upэ) в схеме реагирующего элемента АЗ в момент контакторной коммутации силового присоединения. Можно выделить три характерных состояния объекта исследования [85]: - отсутствие команды UАВ на отключение АВ SА (параметры сети: суммарная ёмкость изоляции C<1,0 мкФ/фазу; максимальная ёмкость изоляции коммутируемого присоединения C=0,15 мкФ/фазу, нормируется по ГОСТ 22929-78 [54]); - наличие команды UАВ, продолжительность которой недостаточна для отключения автоматического выключателя SF (параметры сети: суммарная ёмкость изоляции 1,0 мкФ/фазу максимальная ёмкость изоляции коммутируемого присоединения от 0,16 мкФ/фазу до 0,24 мкФ/фазу; рис. 2.2); - наличие продолжительной команды UАВ на отключение АВ SА (параметры сети: суммарная ёмкость изоляции C>1,0 мкФ/фазу; максимальная ёмкость изоляции коммутируемого присоединения превышает 0,24 мкФ/фазу; (рис. 2.3). 82


Uсм.н

Uрэ1

Uрэ2

Рисунок 2.2 - Осциллограммы параметров в контролируемых точках ( CC =0,2 мкФ/фазу, Rиз =32 кОм/фазу): u A , u B , uC - напряжения фаз А, В, С;

U см . н . - напряжение смещения нейтрали; Uр. э.1 - напряжение на реагирующем элементе АЗУР (1-й измерительный канал); U оп1 - опорное напряжение 1-го измерительного канала АЗУР; Uр. э.2 - напряжение на реагирующем элементе АЗУР (2-й измерительный канал); U оп 2 - опорное напряжение 2-го измерительного канала АЗУР; U k - напряжение выхода компаратора АЗУР; U АВ - напряжение датчика срабатывания автоматического выключателя сети 83


Uсм.н

Uрэ1

Uрэ2

Рисунок 2.3 - Осциллограммы параметров в контролируемых точках ( CC =0,25 мкФ/фазу, Rиз =32 кОм/фазу): u A , u B , uC - напряжения фаз А, В, С;

U см . н . - напряжение смещения нейтрали; U р . э .1 - напряжение на реагирующем элементе АЗУР (1-й измерительный канал); U оп1 - опорное напряжение 1-го измерительного канала АЗУР; U р . э.2 - напряжение на реагирующем элементе АЗУР (2-й измерительный канал); U оп 2 - опорное напряжение 2-го измерительного канала АЗУР; U k - напряжение выхода компаратора АЗУР; U АВ - напряжение датчика срабатывания автоматического выключателя сети 84


2.2 Участковый электротехнический комплекс шахты в условиях воздействия контакторной коммутации в контексте определения состояний его структурных составляющих методами математического моделирования Структура шахтного участкового ЭТК отличается сложностью и требует совершенствования методов исследования её динамических состояний. В соответствии с этим, ЭТК может быть представлен схемой замещения (рис. 2.4 и 2.5), включающей следующие элементы: А0 – вторичная обмотка трансформатора КТП и автоматический выключатель (АВ); А1 – схема формирователя оперативного параметра аппарата защиты от утечек тока на землю АЗУР-1; А2 – активноёмкостное сопротивление изоляции магистрального кабеля; А3; А6 – коммутационные аппараты, соответственно, 1-го и 2-го присоединений; А4; А7 – активно-индуктивная нагрузка, соответственно, 1-го и 2-го присоединений (имитация асинхронных двигателей М1и М2); А5; А8 – активно-ёмкостное сопротивление изоляции гибкого кабеля, соответственно, 1-го и 2-го присоединения; А9 – сопротивления земли между заземленными точками схемы [86]. Магистральный и гибкие кабели ЭТК должны быть представлены трёхфазными системами активных и ёмкостных сопротивлений их изоляции (на землю). Активно-индуктивными сопротивлениями силовых жил кабелей можно пренебречь в виду их малых значений. Каждое силовое присоединение представляется гибким кабелем определённого сечения и длины, подключенным к вводу АД, параметры которого учитываются трёхфазной системой активных и индуктивных сопротивлений (соответственно типу асинхронного двигателя). В процессе создания математической модели такой системы целесообразно выделение отдельных узлов схемы и принятие соотношений между потенциалами соответствующих точек (0-7) при условии φ0>φ1>φ2>...>φn. Разность потенциалов между узлами 0-1…0-7 определяется соотношением: u 0i = ϕ 0 − ϕ i ; (2.1) где і – номер узла от 1 до 7, соответственно расчётной схеме (рис. 2.4).

85


А4

6

Zиз1 Iиз1b Zиз1c

15 16

i1b

17

φ4 Iиз1

i1a

i1c

iM2c

Rk1a

i2a

Rk2a

Rk1b

i2b

Rk2

ZM2a

iM2b

Zиз1

4

iM1a

iM1b

А5 Iиз1c

ZM2c ZM2b

ZM1a ZM1b

ZM1c iM1c

А7

7

19

0

Rk1c

i2c

iM2a

18

Iиз2b

Zиз2

Rk2c

А3

5

Zиз2c 20

А6

А8 Iиз2c

Zиз2

φ5

Iиз2a

А9

R4’ і 2’

і 4’

R6’

і 6’

R3’

R5’

і 5’

R2’ R1’ і 3’

і 1’

φ3 Zиз0

2 φ2

А1

(АЗУР)

і АЗa і АЗb іa іb

RABa

RABc

Uc ~

Cиз

і из0c

іc

RABb

Rиз

Zиз0c

і из0b

і АЗc

Zиз

Zиз0

і из0a

~ ~

0 φ0

Ua Ub

А2

ZМ RМ LМ

А0

Рисунок 2.4 – Схема замещения шахтного участкового электротехнического комплекса с учётом распределённости структуры 86

3


R1a             L1a 

φ1

iАЗа R1b             L1b  1

Rэк

Сэк

φ2

Rэк

iАЗb R1c             L1c  iАЗc

a

R1a             L1a 

φ1

iАЗа R1b             L1b  iАЗb

Rэк

А

Rэк

R1c             L1c  iАЗc

φ2

Сэк

б

Рисунок 2.5 – Структуры схем аппаратов защиты от утечек тока на землю АЗУР-1 (а) и АЗУР-4 (б) в схеме замещения шахтного участкового электротехнического комплекса (рис.2.4): Сэк - эквивалентная ёмкость, R эк - эквивалентное сопротивление

Аналогично этому, напряжения между другими узлами описываются уравнениями [59]: u 23 = ϕ 2 − ϕ 3 = i1′R1′ = ϕ 0 − ϕ 3 + ϕ 2 − ϕ 0 = u03 − u02 ; (2.2)

u 24 = ϕ 2 − ϕ 4 = i2′ R2′ = ϕ 0 − ϕ 4 + ϕ 2 − ϕ 0 = u04 − u02 ; u 25 = ϕ 2 − ϕ 5 = i3′ R3′ = ϕ 0 − ϕ 5 + ϕ 2 − ϕ 0 = u05 − u 02 ; u34 = ϕ 3 − ϕ 4 = i4′ R4′ = ϕ 0 − ϕ 4 + ϕ 3 − ϕ 0 = u 04 − u03 ; u35 = ϕ 3 − ϕ 5 = i5′ R5′ = ϕ 0 − ϕ 5 + ϕ 3 − ϕ 0 = u 05 − u 03 ,

(2.3) (2.4) (2.5)

(2.6) где R1′ - R5′ - сопротивления контура "земля" между заземленными узлами схемы;

u12 = ϕ1 − ϕ 2 ; u02 = ϕ 0 − ϕ 2 = ϕ 0 − ϕ1 + ϕ1 − ϕ 2 = u01 + u12

Токи, протекающие в контуре "земля" между узлами 2.5, могут быть определены из выражений (2.2)-(2.6): 87


i1′ =

u03 − u02 R1′ ;

u04 − u02 ; R2′ u − u 02 i3′ = 05 ; R3′ u − u 03 i4′ = 04 ; R4′ i2′ =

u 05 − u 03 ; R5′ u − u04 i6′ = 05 . R6′

i5′ =

(2.7) (2.8) (2.9) (2.10) (2.11) (2.12)

Представление объекта исследования детальной схемой замещения позволяет определить мгновенные значения токов в узлах участковой сети (в соответствии с первым законом Кирхгоффа):

Узел 0

i a + ib + i c = 0 ;

(2.13)

Узел 1

i АЗа + і АЗb + і АЗc = і1 = i2 + i3 ;

(2.14)

Узел 2 Узел 3

iиз 0 a

i1 = i1′ + i2′ + i3′ ; + iиз 0 b + iиз 0 c + i1′ = i4′ + i5′ ;

(2.15) (2.16)

Узел 4

iиз1a + iиз1b + iиз1c + i2′ + i4′ = i6′ ;

(2.17)

Узел 5

iиз 2 a + iиз 2b + iиз 2 c + i3′ + i6′ + i5′ = 0 ;

(2.18)

откуда:

iиз 0 c = ( −i1′ + i4′ + i5′ ) − iиз 0 a − iиз 0b ; iиз1c = ( −i2′ − i4′ + i6′ ) − iиз1a − iиз1b ; iиз 2 c = ( −i3′ − i5′ − i6′ ) − iиз 2 a − iиз 2b .

(2.19) (2.20) (2.21)

где индексами "а"; "b"; "с" обозначены соответствующие фазы сети. Аналогично этому определяются мгновенные токи в других узлах объекта исследования: 88


Узел 6

1a

+ iÌ

1b

+ iÌ

1c

= 0;

(2.22)

Узел 7

2a

+ iÌ

2b

+ iÌ

2c

= 0;

(2.23)

Узел 8, 9 Узел 10, 11

i8 = i4 + i5 ; i10 = i6 + i7 ;

(2.24) (2.25)

ia = i АЗa + iиз 0 a + i1а + i2 a ; ib = i АЗb + iиз 0 b + i1b + i2 b ; ic = i АЗc + iиз 0 c + i1c + i2 c ;

(2.26)

i1a = iM 1a + iиз1a ; i1b = iM 1b + iиз1b ;

(2.29) (2.30)

Узел 17

i1c = iM 1c + iиз1c ;

(2.31)

Узел 18

i2 a = iM 2 a + iиз 2 a ; i2 b = iM 2 b + iиз 2 b ;

(2.32)

i2 c = iM 2 c + iиз 2 c .

(2.34)

Узел 12 Узел 13 Узел 14 Узел 15 Узел 16

Узел 19 Узел 20

(2.27) (2.28)

(2.33)

С целью определения функции влияния коммутационного переходного процесса может быть добавлена математическая модель измерительной части аппарата защиты от утечек тока на землю (конкретного типа) с учётом реальных параметров элементов участковой сети. Научные подходы к моделированию АЗ в конкретных условиях его эксплуатации, приведенные в [87], приемлемы для применения в обобщённой модели участкового ЭТК. В частности, мгновенные значения токов іАЗа и іАЗb в фазах "А"; "В" дросселя присоединения АЗ могут бать получены в последовательности вычислений (табл. 2.1.) Напряжения на силовых цепях фаз автоматического выключателя uАВа, uАВb, uАВс вычисляются как произведение тока соответствующей фазы (іа,іb,іc) на сопротивление между контактами силовой коммутационной группы (RАВа, RАВb, RАВс): u ABa = ia ⋅ R ABa ; u ABb = ib ⋅ R ABb ; u ABc = ic ⋅ R ABc . (2.35) Электрические параметры элементов измерительной части аппарата защиты от утечек тока на землю учитываются в соответствии со структурой его электрической схемы (рис. 2.5, табл. 2.2). В совокуп89


ности функциональные зависимости токов и напряжений (табл. 2.2) составляют математическую модель реагирующего органа АЗ в соответствии со схемой аппарата конкретного типа. Влияние коммутируемого активно-индуктивного присоединения (RM1; LM1) (АД потребителя) определяется величинами соответствующих фазных токов іМ1а; іМ1b; іМ1с, обусловленных напряжениями uМ1а; uМ1b; uМ1с; на фазах двигателя и определяемых напряжениями между узлами "0"; "6" схемы замещения (рис. 2.4):

⎧u06 = −ua + u ABa + u K 1a + uM 1a ; ⎪ ⎨u06 = −ub + u ABb + u K 1b + uM 1b ; ⎪u = −u + u c ABc + u K 1c + u M 1c , ⎩ 06

(2.43)

где uM 1a - напряжение на активно-индуктивном сопротивлении RM 1a , LM 1a фазы "А" двигателя 1-ого присоединения; uM 1b , u M 1c - аналогичные параметры для фаз "В" и "С"; u K1a , u K1b , u K1c - напряжения на фазах коммутационного аппарата 1-ого присоединения. Из первых двух уравнений системы (2.43) выразим напряжения на фазах двигателя:

⎧u M 1a = (ua − u ABa − u K1a ) + u06 ; ⎪ ⎨u M 1b = (ub − u ABb − u K 1b ) + u06 ; ⎪u = −u + u c ABc + u K 1c + u M 1c . ⎩ 06

(2.44)

Таблица 2.1 – Последовательность вычислений при определении параметров іАЗа и іАЗв (рис. 2.5, а) № шага Наименование вычислений параметра 1 Падение напряжения между узлами 0 и 1 схемы замещения (рис. 2.4)

Функциональные зависимости

⎧u01 = −u a + u ABa + uTa ; ⎪ ⎨u01 = −ub + u ABb + uTb ; ⎪u = −u + u + u , c ABc Tc ⎩ 01

(2.36)

где uа, ub, uс – фазные напряжения источника питания участковой сети

90


№ шага Наименование вычислений параметра 2 Напряжения uTa , uTb , uTc на фазах дросселя присоединения АЗ

Фазные токи іАЗа и іАЗв

3

Функциональные зависимости

⎧uTa = (u a − u ABa ) + u01 ; ⎪ ⎨uTb = (ub − u ABb ) + u01 ; ⎪u = −u + u + u . c ABc Tc ⎩ 01

(2.37)

di АЗa ⎧ u i R L ; = + Ta АЗa Ta Ta ⎪ dt ⎪ di АЗb ⎪ ; ⎨uTb = i АЗb RTb + LTb dt (2.38) ⎪ di АЗc ⎪ ⎪uTc = i АЗc RTc + LTc dt , ⎩ ⎧ di АЗa uTa − i АЗa RTa ; ⎪ dt = L ⎪ Ta ⎨ (2.39) ⎪ di АЗb = uTb − i АЗb RTb ; ⎪⎩ dt LTb uTa − i АЗa RTa ⎧ i dt + i АЗa (0); = АЗa ∫ ⎪ L ⎪ Ta ⎨ (2.40) ⎪i = uTb − i АЗb RTb dt + i (0). АЗb ⎪⎩ АЗb ∫ LTb

Таблица 2.2 - Величина токов и напряжений структурных составляющих измерительной части аппаратов защиты от утечек тока на землю АЗУР-1 и АЗУР-4 Тип ап№ парата защиты 1 АЗУР-1

Наименование параметра и его математическое описание Напряжение между узлами "1" і "2" схемы замещения

u12 = ϕ1 − ϕ2 = i2 ( R1 + R2 + Rк ) + Lк

di2 + u1′ + u2′ , (2.41) dt

где u1′ - напряжение между узлами 8 и 9 схемы замещения; u2′ напряжение между узлами 10 и 11 схемы замещения (рис. 2.4)

91


Тип ап№ парата защиты АЗУР- 4

2

АЗУР-1

Наименование параметра и его математическое описание

u12 = Rк iк + Lк

di2 + u BF dt

(2.42)

где u ′BF - напряжение между узлами "B" и "F" схемы замещения (рис. 2.5) Токи отдельных контуров реагирующего органа АЗ

i3 =

u12 Rш

i5 = Cек

i4 = i2 − i5 = i2 − Cек

du1′ dt

du1′ dt

i6 = C p

i7 = i2 − i6 = i2 − C p

du2′ dt

du2′ dt

u

12 = i4 + i5 = i6 + i7 i2 = i1 − i3 = i1 − Rш

АЗУР-4

i3 =

u12 Rш

i2 = i1 − i3

i7 = i5 =

u BE − u DE R2

i11 = i2 − i10 = i2 − 3

АЗУР-1

i4 = i10 − i5

uСЕ Rек

i8 = i5 − i9 = i5 −

u DE R3 + R5

u BF + U oп − u BE Rоп

Напряжения отдельных контуров реагирующего органа АЗ u1′ = i4 Rвн − U оп = Rвн (i2 − Cек

=∫

Rвн i2 − U оп − u1′ dt + u1′ (0) С ек Rвн

u2′ = Rек i7 = Rек (i2 − C p АЗУР-4

i6 = i4 − i7

u AF = Rк iк + Lк u BF =

du1′ ) − U оп dt

i − u 2′ Rек du2′ dt + u 2′ (0) ) =∫ 2 Ср dt

di2 + u BF dt

1 ∫ i11dt + u BF (0) Cp

= −U оп + i10 R10 + u BE 1

i6 dt + uCE (0) u BE = i4 R4 + uCE = i4 R4 + Ceк ∫

u R5 = R5i9

(падение напряжения на резисторе R5) 92


Напряжение uM 1a определяется уравнением: uM 1a = iM 1a RM 1a + LM 1a

diM 1a . dt

(2.45)

Интегрированием определяются величины токов iM 1a и iM 1b :

uM 1a − iM 1a RM 1a ⎧ i dt + iM 1a (0); = M a 1 ∫ ⎪ L ⎪ M 1a (2.46) ⎨ u i R − M b M b M b 1 1 1 ⎪i dt + iM 1b (0). = ⎪⎩ M 1b ∫ LM 1b Величины тока iM 1c определяются в соответствии с зависимостью

(2.22). Математическая модель кабельных присоединений предполагает определение мгновенных значений токов параллельных активноёмкостных цепей, которыми являются сопротивления изоляции кабелей, а также напряжений на этих цепях. Разработку такой модели целесообразно выполнять отдельно: для магистрального кабеля и для гибких кабелей радиальной схемы подключения потребителей. Таким образом, токи іиз0a; іиз0b; іиз0c в сопротивлениях изоляции магистрального кабеля обусловлены напряжениями u0a; u0b; u0c на этих сопротивлениях и определяются напряжениями между узлами "0"; "3" схемы замещения (рис. 2.4), а именно:

⎧u03 = −ua + u ABa + u0a ; ⎪ ⎨u03 = −ub + u ABb + u0b ; ⎪u = −u + u c ABc + u0c , ⎩ 03

(2.47)

где u0a - напряжение на параллельно соединённых активном сопротивлении и ёмкости изоляции (относительно земли) магистрального кабеля по фазе "А", т.е. напряжение между узлами 12 и 3 схемы замещения (рис. 2.1); u0b , u0c - аналогичные величины для фаз "В" и "С". ⎧u0a = (ua − u ABa ) + u03; ⎪ ⎨u0b = (ub − u ABb ) + u03; (2.48) ⎪u = −u + u c ABc + u0c . ⎩ 03 Ток iиз 0 а через активно-ёмкостные сопротивления фазы "А" магистрального кабеля относительно земли состоит из активной іиз′ 0 а и ёмкостной іиз′′ 0 а составляющих: 93


iиз 0 а = іиз′ 0 а + іиз′′ 0 а ,

(2.49)

которые определяются выражениями:

іиз′ 0 а =

u0 a R0 a ,

іиз′′ 0 а = C0 a

du0 a dt .

(2.50) (2..51)

Общий ток фазы "А" iиз 0 а , и, аналогично, ток фазы "В" iиз 0 b , определяются дифференциальными уравнениями первого порядка: u0 a du0 a ⎧ = + ; i C из 0 а 0 a ⎪ R dt ⎪ 0a ⎨ (2.52) ⎪iиз 0b = u0b + C0b du0b . ⎪⎩ R0b dt Мгновенные значения тока iиз 0 с определяются из соотношения (2.19). Построение математической модели кабельных присоединений радиальной схемы (гибких кабелей) осуществляется аналогично с учётом напряжения между узлами "0" и "4" схемы (рис. 2.4):

⎧u04 = −ua + u ABa + u K1а + u1а ; ⎪ ⎨u04 = −ub + u ABb + u K1b + u1b ; ⎪u = −u + u c ABc + u K1c + u1c , ⎩ 04

(2.53)

где u1а - напряжение на параллельно присоединённых активном сопротивлении R1a и ёмкости C1a изоляции фазы "А" гибкого кабеля первого присоединения электротехнического комплекса; u1b , u1c аналогичные параметры для фаз "В" и "С". Приведём систему (2.53) к виду: ⎧u1a = (ua − u ABa − u K1а ) + u04 ; ⎪ ⎨u1b = (ub − u ABb − u K 1b ) + u04 ; (2.54) ⎪u = −u + u c ABc + u K 1c + u1c . ⎩ 04 Токи утечки на землю через изоляцию фаз "А" и "В" гибкого кабеля первого присоединения определяются выражениями:

94


u1a du1a ⎧ i C = + ; із 1 а 1 a ⎪ R1a dt ⎪ ⎨ ⎪i = u1b + C du1b . 1b ⎪⎩ із1b R1b dt

(2.55)

Ток утечки iиз1c определяется по первому закону Кирхгоффа из соотношения (2.20). Зависимости (2.54), (2.55) представляют собой математическую модель изоляции гибкого кабеля. Ток утечки на землю через изоляцию фазы "С" гибкого кабеля первого присоединения определяется из выражения (2.20). Напряжение u1c на параллельном присоединении R1c и C1c определяется как:

u1c = ∫

iиз1с − u1c R1c dt + u1c (0) . C1c

(2.56)

Математическое описание второго присоединения системы составляется аналогично. Таким образом, описание состояний отдельных структурных составляющих шахтного ЭТК в своей совокупности создаёт его обобщённую математическую модель и обусловливает соответствующую структуру компьютерной модели объекта, что позволяет: исследовать состояние сети в установившихся и в переходных режимах, обусловленных коммутациями присоединений. Появляется возможность расчёта: токов в фазах каждого элемента сети, в том числе, оперативного тока аппарата защиты и тока, протекающего через измерительный элемент АЗУР-1 (напряжения на измерительном элементе АЗУР-4); падения напряжения на элементах системы, а также напряжения между нулевой точкой трансформатора КТП и контуром "земля". К свойствам этой модели следует отнести возможность: задавать требуемые значения параметров элементов системы; характер коммутаций силовых присоединений (идеальная, неодновременная пофазная, управляемая и др.), и учитывать случайный характер варьирования данных параметров; выявлять момент срабатывания АЗ; моделировать симметричные и несимметричные режимы функционирования участкового электротехнического комплекса.

95


2.3 Обобщение результатов исследования свойств контакторной коммутации силового присоединения Предложенные принципы моделирования позволяют определять электрические параметры структурных составляющих участкового электротехнического комплекса в его динамических состояниях, что иллюстрируется на примере исследования воздействия коммутационного переходного процесса (контакторная коммутация силового кабельного присоединения) на величину оперативного параметра АЗ. Такая функция воздействия имеет место при отключении силового присоединения контактором и обусловлена кратковременным изменением параметров напряжения между нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора КТП (узел "0", рис. 2.4) и контуром "земля" (узел "3"). В допущении об идеальном характере коммутации иллюстрация этого процесса приведена на рис. 2.6 и поясняется следующим. Напряжение u 03 характеризуется наличием постоянной и переменной составляющих. Постоянная составляющая обусловлена наличием источника оперативного напряжения U оп в схеме АЗ, а переменная – несимметрией фаз системы. До момента t ′ для заданных параметров системы постоянная составляющая u 03 (в сети линейного напряжения 660 В) составляет порядка 125 В, а амплитуда переменной составляющей - 15 В. В момент t ′ имеет место отключение первого присоединения, что сопровождается увеличением напряжения u 03 (до 100 В, т.е. на 220 В), после чего в течение 0,05 с напряжение u 03 уменьшается до установившегося состояния. Последнее характеризуется несколько бóльшими значениями постоянной составляющей (-100 В) и амплитуды переменной составляющей (20В) в сравнении с докоммутационным режимом [86]. Токовый бросок напряжения между нулевой точкой трансформатора КТП и контуром "земля" объясняется изменением угла смещения фаз между векторами напряжения и тока системы при коммутации, что сопровождается изменением напряжения на активно-ёмкостных сопротивлениях изоляции неотключаемой части сети. Диаграммы мгновенных значений напряжений u0 a - u0c на сопротивлениях изоляции фаз "А"-"С" магистрального кабеля относительно земли представляют собой реакцию системы на контакторное отключение силового присоединения в момент времени t’. Анализ параметров токов (рис. 2.7) в контуре "земля" позволяет 96


сделать следующие выводы. В момент t ′ в кривых токов i1′ - i6′ наблюдается резко выраженная переходная составляющая. В посткоммутационном устойчивом режиме с отключением первого присоединения токи в сопротивлениях изоляции его гибкого кабеля становятся равными нулю ( iиз1а = iиз1b = iиз1c =0), а зависимость (2.25) преобразовывается к виду: i6′ − i2′ − i4′ = 0 . Это ведёт к изменению величин токов i1′ - i6′ . Кратковременное увеличение напряжения между нулевой точкой вторичной обмотки трансформатора КТП и землей воздействует на электрические параметры в измерительном элементе АЗ, т.к. он подключен между узлами 12-14 и 2 (рис. 2.4). В момент t ′ отключения коммутационным аппаратом присоединения наблюдается скачкообразное увеличение тока i7 аппарата защиты АЗУР-1 с последующим экспоненциальным снижением до величины, обусловленной активным сопротивлением изоляции сети в посткоммутационном состоянии [85]. Такое кратковременное повышение тока в момент коммутации присоединения сети способно инициировать ложное срабатывание аппарата защиты от утечек тока на землю. Допущение о том, что импульс напряжения между нулевой точкой трансформатора и землёй воздействует на переменную составляющую тока через измерительный элемент АЗ изменением заряда ёмкостей изоляции сети, подтверждается диаграммами (рис. 2.8) тока i7 через измерительный элемент АЗУР-1 в допущении, что величина оперативного напряжения АЗ значительно меньше линейного напряжения сети. Анализ характера влияния коммутационного переходного процесса на процесс формирования оперативного параметра АЗ следует проводить применительно к конкретной электрической схеме с учётом реакции напряжения между источником питания и контуром "земля" и тока этого контура на изменение сопротивлений изоляции в момент контакторной коммутации присоединения.

97


u03, B

a) u0a, B

t,c

б) u0b, B

t,c

в) t,c

u0c, B

д)

t′

t,c

Рисунок 2.6 - Диаграмма изменения напряжения u 03 между узлами 0 и 3 сети (а), мгновенные значения напряжений u0a - u0c на сопротивлениях изоляции фаз А-С магистрального кабеля относительно земли (б-д)

Установлены факты превышения оперативным параметром порога срабатывания АЗ вследствие воздействия переходного коммутационного процесса в участковой электросети со сверхнормируемыми показателями ёмкости изоляции кабелей. При этом, формирование амплитуд импульсов оперативного параметра является процессом стохастическим (рис.2.8) и обусловливается состоянием напряжений в сети в момент t’ коммутации, одновременностью либо неодновременностью коммутации фаз, продолжительностью проводящего состояния контактора в процессе коммутации (в связи с дугообразованием), т.е. ложное срабатывание АЗ из-за воздействия контакторной коммутации может возникать с определённой вероятностью.

98


i1′ ,мА

i4′ ,мА

a) i2′ ,мА

д) t,c i ′ ,мА

t,c

б) i3′ ,мА

t,c i ′

t,c

в)

5

6 ,мА

t,c

ж)

t′ t′ Рисунок 2.7 – Диаграммы изменения токов в контуре «земля», полученные моделированием переходного процесса в системе при отключении 1-го присоединения и допущении об идеальном характере коммутации

t,c

Важной составляющей в структуре математической модели объекта следует считать учёт смещения нейтрали системы U m в процессе отключения присоединения во время неодновременной пофазной коммутации, представленный функциональными зависимостями (рис. 2.9), полученными в ходе исследования [87] при обобщённых параметрах АД нагрузки: R=0,2 Ом; L=0,02 Гн. С учётом тенденции к увеличению ёмкости изоляции кабелей шахтных участковых электросетей проблематика повышения устойчивости АЗ против влияния коммутационных переходных процессов приобретает ещё бóльшую актуальность.

99


i7, мА

t′=2,2311 с

а) i7, мА

t′

t,c t′=2,6068 с

б) i7, мА

t′

t,c t′=2,8913 с

в) i7, мА

t′

t,c

t′=2,4725 с

д)

t′

t,c Рисунок 2.8 – Расчётные диаграммы тока через измерительный элемент АЗУР-1 при случайных моментах отключения присоединения с ёмкостью изоляции 0,25 мкФ/фазу в сети с общей ёмкостью 1,1 мкФ/фазу: а - t′ = 2,2311 c, i7max = 5,58 mА; б - t′ = 2,6068 c, i7max = 3,45 mА; в - t′ = 2,8913 c, i7max = 5,30 mА; д - t′ = 2,4725 c, i7max = 5,42 mА Um, B

L, м Рисунок 2.9 - Кривые, иллюстрирующие изменение амплитуды напряжения смещения нейтрали Um в процессе отключения присоединения при неодновременности пофазной коммутации в зависимости от длины L неотключаемого участка сети: 1 - Uл=1140 В, ТСВП-1000; 2 - Uл=1140 В, ТСВП-630; 3 - Uл=660 В, ТСВП-1000; 4 - Uл=660 В, ТСВП-630 100


2.4 Динамические процессы в шахтном участковом электротехническом комплексе при применении полупроводниковых устройств регулируемой коммутации силовых присоединений

2.4.1 Анализ функционирования средств защитного отключения цепи утечки тока на землю в условиях применения устройств регулируемой коммутации асинхронных двигателей потребителей Результатом переходного коммутационного процесса в сети участкового электротехнического комплекса является формирование импульса оперативного параметра АЗ с увеличенной амплитудой. Воздействие на этот процесс может происходить как средствами управления (коррекция структуры и параметров схемы АЗ), так и возмущающими средствами. К последним можно отнести средства регулируемой коммутации силовых присоединений (которые способны изменить параметры коммутационных переходных процессов участковой электросети) [88, 89].

Сиз1 - Сиз3

Rиз1 - Rиз3

Рисунок 2.10 - Расчётная схема фрагмента электросети с тиристорным коммутатором (регулятором напряжения)

Эффективным средством регулируемой коммутации, применяемым для осуществления плавного пуска асинхронных двигателей, является тиристорный регулятор напряжения (ТРН, система "soft101


start") который обеспечивает изменение величины выходного напряжения по фазовому принципу. Влияние параметров электросети на устойчивость АЗ против ложных срабатываний при регулируемой коммутации может бать исследовано на основе расчётной схемы (рис. 2.10) [90]. Силовой тиристорный регулятор напряжения изменяет свою проводимость путём изменения угла α отпирания тиристоров от 180 эл. град. до 0 эл. град. в процессе регулируемого пуска АД и от 0 эл. град. до 180 эл. град. при регулируемой остановке двигателя. Предметом исследования является определение падения напряжения на реагирующем органе АЗ типа АЗУР-4 в зависимости от параметров участковой электросети и характера выполнения регулируемой коммутации. В этом случае контактор КМ1 в структурной схеме (рис. 2.4; рис 2.6) должен бать заменён на тиристорный регулятор напряжения. Предусматривается, что с целью выполнения функции предварительного контроля изоляции присоединения, отходящего от ТРН, параллельно парам встречно-параллельно соединённых тиристоров в каждой фазе ТРН присоединено активное сопротивление. В процессе моделирования установлено, что регулируемая коммутация АД при использовании ТРН как при пуске, так и при отключении двигателя не приводит к существенному увеличению оперативного параметра АЗ в сети с совокупной ёмкостью 1,5 мкФ/фазу при линейном законе изменения угла α отпирания тиристоров ТРН. Это же подтверждается и результатами эксперимента (рис.2.11 – рис. 2.14), выполненного при регулируемой коммутации присоединения с ёмкостью изоляции Сс=0,4 мкФ/фазу. 2.4.2 Анализ функционирования средств защитного отключения цепи утечки тока на землю в условиях применения устройств регулируемой коммутации асинхронных двигателей потребителей Особенностью предложенной методики исследования параметров электротехнического комплекса в устойчивых и переходных режимах является возможность определения состояний отдельных структурных составляющих объекта. Это поясняется на примере определения условий возникновения автоколебаний параметров в системе "тиристорный регулятор напряжения – асинхронный двигатель" при условии применения системы "soft-start" для управляемого пуска АД. 102


Uрэ1

Uрэ2

Рисунок 2.11 – Регулируемое включение потребителя ( CC =0,4 мкФ/фазу, R из =32 кОм/фазу): u A , u B , uC - напряжения фазы А, В, С; i A , i B , iC - ток фазы А, В, С; U р. э.1 - напряжение на реагирующем элементе АЗУР (1-й измерительный канал); U оп1 - опорное напряжение 1-го измерительного канала АЗУР; U р. э.2 - напряжение на реагирующем элементе АЗУР (2-й измерительный канал); U оп 2 - опорное напряжение 2-го измерительного канала АЗУР; U K - напряжение выхода компаратора АЗУР; U АВ - напряжение датчика срабатывания автоматического выключателя сети 103


Uрэ1

Uрэ2

Рисунок 2.12 - Параметры опыта, соответствующие рис. 2.11 на интервале времени t1 − t 2 104


Uрэ1

Uрэ2

Рисунок 2.13 – Регулируемое отключение потребителя ( CC =0,4 мкФ/фазу, R из =32 кОм/фазу): u A , u B , uC - напряжения фазы А, В, С; i A , i B , iC - ток фазы А, В, С; U р. э.1 - напряжение на реагирующем элементе АЗУР (1-й измерительный канал); U оп1 - опорное напряжение 1-го измерительного канала АЗУР; U р. э.2 - напряжение на реагирующем элементе АЗУР (2-й измерительный канал); U оп 2 - опорное напряжение 2-го измерительного канала АЗУР; U K - напряжение выхода компаратора АЗУР; U АВ - напряжение датчика срабатывания автоматического выключателя сети 105


Uрэ1

Uрэ2

Рис. 2.14 - Параметры опыта, соответствующие рис. 2.13 на интервале времени t1 − t 2

106


Установлено [35, 91-93], что отличительной особенностью функционирования системы "ТРН-АД" в режиме фазового управления тиристорами является активная функция (воздействие на процессы) со стороны обратной ЭДС АД, что иллюстрируется рис. 2.15. Е вр.m эл. град.

Е вр.m

Период автоколебаний

Рисунок 2.15 – Диаграммы параметров системы «ТРН-АД» при возникновении автоколебаний: α и β – фактические углы, соответственно, отпирания и проводимости тиристоров ТРН, Eвр m/Um ном- отношение амплитуд ЭДС вращения и номинального напряжения соответствующей фазы; I1m/I1mi – отношение амплитуд фактического и номинального тока статора АД

Причиной искусственного отклонения углов α и β от заданных значений является повышение величины ЭДС вращения АД при наличии повышенного тока АД при α >>0 и высокой, близкой к номинальной, угловой скорости ротора. Именно в этом случае возникают интервалы времени, когда мгновенные значения фазных ЭДС вращения АД, действующих со стороны статора, превышают величины мгновенных значений соответствующих выходных напряжений ТРН | | ( u |A , u B , u C рис.2.16). Это является причиной: появления фактических углов отпирания (αф) и проводимости (βф) тиристоров ТРН, значительно отличающихся от заданных (αз); создания условий для полного отпирания тиристоров ТРН, дальнейшего уменьшения тока АД, возвращения величин ЭДС вращения АД, углов α и β к исходным значениям (α=αз) и восстановления условий для последующего цикла автоколебаний. 107


Приведенные результаты uA uC основываются на эксперименu тальных данных исследования установившегося процесса авωt токолебаний параметров сис0 темы "тиристорный регулятор напряжения – асинхронный еврА двигатель" при неизменной ψ u’A величине заданного угла α3 t4 ωt отпирания тиристоров и обу0 словливают актуальность опt7 ределения параметров систеαз мы "ТРН-АД" в динамике изu’B евр В менения заданного угла α отt6 пирания тиристоров. Решение ωt этой задачи основывается на 0 t3 исследовании расчётной схеβФ мы системы "ТРН-АД", котоu’C t1 рая в упрощённом виде предαф ставлена на рис. 2.17 и содерωt 0 жит трёхфазный источ-ник t5 питания u A ; u B ; uC , и тириевр С сторный регулятор напряt2 жения VS1-VS6, подключенРисунок 2.16 – Диаграммы напряженый выходом к статору асинний системы «ТРН-АД» в процессе автоколебаний при фазовом регулихронного двигателя М [94]. ровании напряжения Поскольку из двух тиристоров, присоединённых в каждой фазе встречно-параллельно, в состоянии проводимости в каждый момент времени может находиться только один, каждую из таких пар тиристоров (VS1-VS2; VS3-VS4; VS5-VS6) можно в процессе расчётов представить активными сопротивлениями R A , R B , RC , соответственно. Величина каждого такого сопротивления изменяется uB

скачкообразно от Rmax до Rmin при отпирании одного из тиристоров пары (рис. 2.17, б), например:

108


⎧ Rmin , если VS1 = 1 или VS 2 = 1; RA = ⎨ (2.62) ⎩ Rmax , если VS1 = 0 и VS 2 = 0, где VS1=1 обозначает проводящее состояние тиристора VS1, а VS1=0, соответственно, - непроводящее.

Падение напряжения uVSA ; uVSB и uVSC на каждом таком сопротивлении составляет:

uVSA = i A R A ; uVSB = i B R B ; uVSC = iC RC ,

(2.63)

где i A , iB , iC - токи в фазах "А", "В" и "С", соответственно.

а

б

Рисунок 2.17 – Расчётная схема для исследования процессов в системе «ТРН-АД» при фазовом управлении (а), схема замещения (б)

С другой стороны:

⎧uVSA = u A − u OO I − u SA ; ⎪ ⎨uVSB = u B − u OO I − u SB ; ⎪ ⎩uVSC = u C − u OO I − u SC .

(2.64)

где u SA ; uVB ; u SC - падение напряжения на обмотках статора АД.; u00’ – напряжение между нулевыми точками "0" источника питания и "0’" обмотки статора АД [94]: (u − uVSA ) + (u B − uVSB ) + (u C − uVSC ) u OO I = A . (2.65) 3 С учётом активных сопротивлений статора и ротора (Rs ,Rr), индуктивностей статора, ротора и главного магнитного поля, соответственно, Ls; Lr; Lm, расчётная схема системы "ТРН-АД" может быть представлена в соответствии с рис. 2.18. В этой системе существен109


ным является воздействие на процессы со стороны фазных электродвижущих сил (ЭДС вращения) ротора, индуктированных в обмотках статора: 1 − eвр r = pω ( Lm ( 2isA + isB ) + Lr ( 2irB + irA )) , (2.66) 3 где р – число пар полюсов АД; is и ir - токи статора и ротора; ЭДС евр r имеет знак "-" по отношению к ЭДС вращения, индуктированной в обмотке статора. Математическая модель асинхронного двигателя может быть создана в соответствии с методом пространственного вектора в системе координат [16, 99]: ⎧ψ S = (u S − iS RS )dt + ψ S (0); ∫ ⎪ ⎪ψ r = ( jωψ r − ir Rr )dt + ψ r (0); ∫ ⎪ ⎪ 1 ⎪ω = ∫ ( M − M C )dt + ω (0); J ⎪⎪ ⎨M = − 3 I [ψˆ ⋅ i ]; M r ⎪ 2 ⎪ 1 ⎪iS = ( Lrψ S − Lmψ r ); LS Lr − L2m ⎪ ⎪ 1 ⎪ir = ( LSψ r − Lmψ S ). ⎪⎩ LS Lr − L2m

(2.67)

Начальными являются величины: ψ S (0+) = ψ r (0+) = ω (0+) = 0 , (что соответствует процессу пуска АД), где ψ r , ψ S , ir , iS - пространственные векторы, ψˆ r - сопряжённый вектор к ψ r . Зависимость момента машины от угловой скорости определяется из соотношения:

M C (ω ) = M 0 + ( M H − M 0 )(

ω k ) , ωH

(2.68)

где M 0 - момент сопротивления движению при нулевой скорости; M H момент сопротивления движению при номинальной скорости; k - коэффициент, характеризующий изменение момента при увеличении скорости ( 0 < k ≤ 2 ) [95]. Пространственный вектор напряжения статора uS формируется из фазных напряжений u SA , uVB , u SC : uS =

0 0 2 [u SA + e j120 ⋅ u SB + e j 240 ⋅ u SC ] , 3

110

(2.69)


а токи в фазах сети i A , i B , iC вычисляются по пространственному вектору тока статора iS [60]: i A = Re[i S ] ; i B = Re[e j120 ⋅ i S ] ; iC = Re[e j 240 ⋅ i S ] . (2.70) 0

0

евр r евр r евр r

Рисунок 2.18 – Схема замещения системы «ТРН-АД» α эл. град.

а)

б)

Рисунок 2.19 – Диаграмма изменения частоты вращения ротора (ω) АД (типа ЭДКОФВ315LB4) мощностью 250 кВт при пуске в процессе изменения угла αз отпирания тиристоров ТРН при моментах инерции JΣ=1,1(а), и JΣ=1,6 JМ (б); линейное напряжение сети 1140 В; Мн=1613 Нм; ωн=1485 об/мин.

Период автоколебаний

Рисунок 2.20 - Осциллограмма фазного напряжения на интервале периода автоколебаний при заданном угле αз =60 эл. град./с. в системе «ТРН-АД»

111


Моделирование независимой работы тиристоров разных фаз при фазовом регулировании и трёхфазной коммутации вентилей основано на использовании логической функции: Vi=Xi·Zi+Yi, где Vi – логическая переменная, равная "1" при проводящем состоянии і – го тиристора и "0" в случае его непроводящего состояния; Xi соответствует напряжению на тиристоре, Yi – ток через тиристор, Zi – сигнал управления. Приведенные зависимости представляют собой математическую модель системы "ТРН-АД" при фазовом регулировании напряжения на выходе ТРН, исследование которой должно проводиться с учётом параметров электродвигателя конкретного типа (номинальные угловая скорость и электромагнитный момент; момент инерции); величин момента сопротивления в электроприводе; номинальном линейном напряжении сети, частоты тока в сети и количества фаз. В качестве допущения задаются начальный и конечный заданные углы α отпирания тиристоров (αн; αк), время изменения угла α (∆T) и временнáя диаграмма изменения заданного угла α. эл. град.

Рисунок 2.21 - Диаграмма изменения частоты вращения ротора (ω) АД при двухэтапном законе задания интенсивности Q изменения угла αз

112


Uр.э.

Рисунок 2.22 – Осциллограмма управляемого пуска АД (в системе «ТРН-АД» UА – напряжение фазы А; IА. – ток фазы А; Uр.э. - напряжение на реагирующем элементе аппарата защиты от утечек тока на землю

Исследованием модели подтверждается наличие автоколебательных процессов в системе "ТРН-АД" в случае динамического состояния заданного угла α отпирания тиристоров при достижении двигателем угловой скорости, близкой к номинальной. Установлено, что диапазон углов α, на который приходятся автоколебательные процессы для электроприводов составляет 85 эл. град. <α<45 эл. град. При этом существенным фактором воздействия на амплитуду параметров автоколебательного процесса является момент инерции JΣ электропривода (рис. 2.19), что подтверждается экспериментом (рис. 2.20). Таким образом, приемлемым способом, позволяющим избежать эти автоколебания следует считать двухэтапный закон задания интенсивности Q изменения угла αз. В частности, при условии ω ≈ ωном ; α з ≈ 90 эл. град./с. целесообразно увеличение параметра Q как минимум, до 50 эл. град./с (рис. 2.21) [96]. Выяснение степени влияния указанного процесса управления тиристорами ТРН (во время выполнения плавного пуска АД) на параметры устойчивости АЗ состоит в 113


получении зависимости падения напряжения на реагирующем элементе АЗ (R5) при двухэтапном законе (QI =28 эл. град./с, QII=150 эл. град./с) изменения интенсивности уменьшения угла отпирания α тиристоров. Полученные результаты согласуются с экспериментальными данными (рис. 2.22) и свидетельствуют о том, что применение тиристорного регулятора напряжения для обеспечения плавности пуска АД при условии двухэтапного закона изменения угла α отпирания тиристоров ТРН не приведёт к недопустимому увеличению напряжения (U<2,4 В) на реагирующем элементе аппарата защиты от утечек тока на землю (серии АЗУР) и не повлияет на устойчивость параметров этой защиты.

2.4.3 Обоснование рационального способа технической реализации принципа регулируемой коммутации силового присоединения электротехнического комплекса участка Исходным положением при обосновании приемлемого способа управления ТРН в системе "ТРН-АД" следует считать утверждение, что эффективным средством предотвращения автоколебательных процессов в системе "ТРН-АД" в случае их возникновения является ускоренное уменьшение заданного угла αз отпирания тиристоров ТРН со скоростью, превышающей 50 эл. град./с. [96, 97]. Учитывая, что условием возникновения автоколебаний является существенное повышение угловой скорости АД ( ω ≈ ω H ) в процессе разгона ротора при αз>>0 эл. град./с., такое интенсивное уменьшение угла αз отпирания тиристоров не приведёт к неконтролируемому отклонению электромеханических параметров соответствующего асинхронного электропривода и является вполне приемлемым. Практический интерес представляет определение информационного сигнала, который может быть использован для формирования команды на ускоренное уменьшение фазового угла αз. Из результатов исследований [93-97] может бать установлено, что характерным признаком наличия автоколебательного процесса является произвольное полное отпирание тиристоров ТРН как результат искусственного увеличения фактического угла проводимости ( β Ô ) тиристоров до 120 эл. град. при заданном угле (αз) их отпирания, превышающем нулевое значение (αз >>0 эл. град.). Это следует из диаграмм результатов экспериментов (рис. 2.16). Таким образом, вышеуказанный информаци114


онный сигнал может быть сформирован в процессе определения и последующего сравнения опорного и контрольного сигналов, в качестве которых целесообразно принять параметры, пропорциональные величинам напряжения участковой сети, соответственно, на входе и выходе ТРН.

БСС

СИФУ

Рисунок 2.23 – Структурная схема устройства управления тиристорным регулятором напряжения в устройстве плавного асинхронного двигателя

Так, самопроизвольное увеличение угла проводимости тиристоров ТРН до β Ô =120 эл. град. в начале автоколебаний параметров системы "ТРН-АД" обусловливает установление номинального действующего напряжения на выходе ТРН и уменьшение до нуля разницы между опорным и контрольным сигналами. Выявление этого состояния должно быть основой способа управления тиристорным регулятором напряжения в устройстве плавного пуска асинхронного двигателя. Этот способ предусматривает повышение выходного напряжения симметричного ТРН (с наперёд определённой интенсивностью) от фиксированной пониженной величины до номинальной путём фазового регулирования улов отпирания тиристоров; определение и сравнение между собой опорного и контрольного сигналов, и в случае достижения контрольным сигналом величины опорного сигнала, 115


осуществление уменьшения заданного угла αз отпирания тиристоров ТРН по линейному закону со скоростью, превышающей 50 эл. град./с. При этом, в качестве опорного и контрольного сигналов приняты параметры, пропорциональные величинам действующего напряжения, соответственно, на входе и на выходе ТРН (рис. 2.23) [97]. Управление ТРН достигается уменьшением заданного угла αз отпирания тиристоров от фиксированного значения (αз>>0) до нуля средствами системы импульсно-фазового управления (СИФУ). Блоки БВО и БВК выявляют, соответственно, опорный и контрольный сигналы (параметры, пропорциональные величинам действующего напряжения на входе и выходе ТРН). В случае, если процесс регулирования выходного напряжения ТРН не завершён, опорный сигнал будет превышать величину контрольного, и коррекция работы ТРН не потребуется. Поэтому блок сравнения сигналов (БСС) будет формировать команду на увеличение интенсивности уменьшения заданного угла α (блок БЗК) только в случае равенства выходных сигналов БВО и БВК, что будет иметь место в начальный момент "страгивания" системы "ТРН-АД" к автоколебательному процессу. 2.5 Определение параметров фильтра реагирующего органа защитного устройства в условиях воздействия коммутационных процессов как пример применения усовершенствованных методов моделирования Примером применения обоснованных методов исследования динамических состояний промышленных электротехнических комплексов является определение характеристик измерительного органа устройства защиты от утечек тока на землю (на примере перспективной разработки АЗУР-5 для участковой сети с номинальным напряжением 3,3 кВ) в условиях воздействия коммутационных переходных процессов. Устойчивость АЗ относительно ложных срабатываний от воздействия коммутационных переходных процессов может бать достигнута при условии поддержания коэффициента воздействия коммутационного процесса λком=(Аком max/Аcр) на уровне: λком<1 (где Аком max – амплитуда параметра (тока или напряжения, в зависимости от типа АЗ) на реагирующем органе АЗ, обусловленная коммутационным переходным процессом в ЭТК участка; Аср - минимальная амплитуда параметра на реагирующем органе АЗ, при которой срабатывает за116


щита. При отсутствии возможности влиять на параметры коммутационного процесса поддержание λком<1 возможно исключительно путём коррекции схемы реагирующего органа АЗ. Объектом исследования в этом случае является фильтр присоединения – составная часть реагирующего органа АЗ всех типов, позволяющий оказывать воздействие на параметр А ком мах. (рис. 2.24) [74]. При расчёте параметров фильтра учитывается техническое противоречие, поскольку увеличение ёмкости RC – элементов ведёт не только к уменьшению амплитуды Аком мах, но и к снижению быстродействия реагирования АЗ на факт возникновения утечки тока на землю. - сеть вторичной обмотки трансформатора КТП участка контур «земля»

Рисунок 2.24 - Схема смещения цепи оперативного тока аппарата АЗУР-5

Математическая модель измерительной части и дросселя присоединения аппарата АЗУР-5 основана на допущении, что разность потенциалов между узлами 1-3 определяется выражением [59]:

u13 = ϕ1 − ϕ 3 = − LK

117

di6 − R K i6 , dt

(2.72)


Таким образом, мгновенные значения тока i6 могут быть выражены через параметры дросселя присоединения АЗУР-5 к сети (фрагмент А2):

di6 − u13 − RK i6 = . dt LK

(2.73)

Математическое описание измерительной части аппарата АЗУР-5 (фрагмент А3) определяется системой уравнений (2.74). С целью оптимизации параметров фильтра присоединения его схема представлена параллельным подключением отдельных "n" RCсекций. В зависимости от распределённости кабельной сети участка, длин и сечений применяемых кабелей число необходимых элементарных присоединений RC-секций может варьироваться в зависимости от результатов расчёта величины оперативного параметра на реагирующем органе при воздействии коммутационного переходного процесса с учётом параметров процесса возникновения цепи утечки тока на землю в условиях эксплуатации реальной КТП. Импульс воздействия на цепь реагирующего органа аппарата АЗУР-5 может быть представлен совокупностью гармоник напряжения, частоты которых превышают 100 Гц. Таким образом, ограничение амплитуды импульса напряжения на этом резисторе будет представлять собой ограничение амплитуд соответствующих гармоник параллельным подключением определённого количества RC-секций.

⎧ du23 ⎪ ⎪ dt ⎪ du37 ⎪ ⎪ dt ⎪⎪ du47 ⎨ ⎪ dt ⎪ du57 ⎪ ⎪ dt ⎪ du ⎪ 67 ⎪⎩ dt

=

1 E − u23 − u37 (i6 + ОП ); CP RОП

=

R1 ( EОП − u23 ) − u37 ( R1 + RОП ) + RОП u47 ; C1 R1 RОП

=

u37 R2 + u57 R1 − u47 ( R1 + R2 ) ; C2 R1R2

=

u47 R3 + u67 R2 − u57 ( R2 + R3 ) ; C3 R2 R3

=

u57 R4 − u67 ( R3 + R4 ) . C4 R3 R4

(2.74)

При рассмотрении ограничительных свойств фильтра следует учитывать, что каждая из его RC-секций с постоянной времени Т=RC 118


представляет собой апериодическое звено первого порядка, описывается передаточной функцией:

W ( p) =

1 Tp + 1 ,

(2.75)

Общая передаточная функция фильтра низкой частоты - произведение передаточных функций RC-секций: n 1 Wоб ( p ) = ∏ Wi ( p ) = (2.76) (T1 p + 1)(T2 p + 1)...(Tn p + 1) . i =1 Постоянные времени Т1=Т2=…=Тn=Т, поэтому (3.8) приобретает вид:

Wоб ( p ) =

1 (Tp + 1)n .

(2.77)

Приняв в качестве исходных допущений параметры отдельных RC-секций, можно рассчитать соответствующие постоянные времени и его ЛАЧХ. В частности, ЛАЧХ фильтра при R=10 кОм; C=1 мкФ; T=RC=10410-6=0,01с (рис. 2.25) даёт обобщённое представление о его способности снижения амплитуды выходного сигнала и позволяет сделать предварительный вывод о достаточности применения RCсекций в определённом количестве ( 2 ≤ n ≤ 6 ). Окончательный результат (рис. 2.26) даёт представление о способности входного фильтра АЗ противодействовать влиянию коммутационного процесса на параметры устойчивости АЗ против ложных срабатываний при сохранении параметров чувствительности и быстродействия реакции на появление цепи утечки тока на землю [74].

Рисунок 2.25 - ЛАЧХ RC-фильтра, при использовании n RC-секций (n = 2…6) 119


Рисунок 2.26 – Обобщённый вид диаграммы мгновенных значений напряжения на измерительном элементе аппарата АЗУР-5 при включении присоединения сети с ёмкостью изоляции 0,5 мкФ/фазу (t1=3,01 с) и возникновении тока утечки на землю (t2=4,5 с) при разном количестве RC - секций (n=2…6)

120


РАЗДЕЛ 3 ОБРАТНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТОКИ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ КАК ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ ОПАСНОСТИ ЭЛЕКТРОПОРАЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ШАХТНЫХ УЧАСТКОВЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ 3.1 Общая характеристика опасности электропоражения от обратной ЭДС асинхронного двигателя Показателем опасности электропоражения человека в условиях эксплуатации рудничного электротехнического комплекса является количество электричества в цепи, созданной утечкой тока на землю. Этот показатель формируется током данной цепи. Поэтому при определении количества электричества должны учитываться мгновенные значения тока утечки на всём интервале его существования, включая переходный процесс (начиная с момента касания человеком фазного проводника) и интервал токовой проводимости после защитного отключения сети. Следует иметь в виду, что на интервале переходного процесса ток цепи утечки на землю (iут) определяется суммой периодической (iпр) и свободной (iсв) составляющих [98]: Z U U i ут (t ) = i пр + i св = m * sin(ωt + ψ − ϕ ) + m * 1 * sin(ψ + ν )e, P2t (3.1) Z Z R ут где Um – амплитуда фазного напряжения; ω - угловая частота; ψ - начальная фаза напряжения сети; р2 – коэффициент затухания параметра iсв; Z и Z1 – модули полных сопротивлений, соответственно, всей цепи с учётом сопротивления тела человека и распределённой части сети; φ=arctgRизω/(Rутp2-ω2CизRутRиз) - фазовая характеристика общего сопротивления цепи; p2 =-(Rут+Rиз)/( CизRутRиз); ν=arctg (ω/р2); Z=

(ωCиз Rиз R ут ) 2 + ( R ут + Rиз ) 2

Rиз2 Z = ; 1 (ωCиз Rиз ) 2 + 1

(ωCиз Rиз ) 2 + 1 При этом, максимум свободная составляющая тока в цепи утечки на землю будет иметь при условии, что ψ+ν=±π/2 [98]. В совокупности составляющие тока, описываемые уравнением (3.1) создают составляющую количества электричества в цепи утечки на землю 121


Q1=UфΔt1/Z, обусловленную воздействием энергетического потока (фазного напряжения Uф) от участковой КТП на интервале времени Δt1 от момента возникновения утечки тока на землю до момента отключения коммутационного аппарата силового присоединения с цепью утечки. Однако, в составе общего показателя количества электричества в цепи утечки тока на землю должна быть учтена составляющая количества электричества, созданная обратным энергетическим потоком асинхронного двигателя (совокупности двигателей), находящихся в состоянии свободного выбега после отключения силового присоединения. В общем случае это поясняется выражением: tк

Q2 = ∫ I 0

' ут

⋅ dt = ∫ I ут ( t =0) ⋅ e 0

t Tе

⋅ dt

,

(3.2)

где I ут = I ут ( t =0 ) - действующее значение тока через тело человека в момент отключения контактов коммутационного аппарата, tк – момент времени окончания воздействия обратной ЭДС АД. Учитывая, что после отключения напряжения питания на статоре каждого двигателя остаётся обратная ЭДС, защитное отключение сети в случае появления цепи утечки тока на землю нельзя считать достаточным в контексте обеспечения электробезопасности. С учётом сложности процессов, влияние обратных энергетических потоков асинхронных двигателей на цепь утечки тока на землю требует дополнительных исследований и уточнений. При этом, следует иметь в виду, что асинхронные двигатели электропотребителей участка в своей совокупности создают мощность, соразмерную с мощностью трансформатора участковой КТП. В случае возникновения цепи утечки тока на землю в присоединении между пускателем и статором АД общая продолжительность существования электропоражающего фактора будет состоять из: - продолжительности выявления утечки тока на землю (Δt1); - продолжительности срабатывания реагирующего органа АВ (Δt2); - продолжительности отделения от сети энергетического потока со стороны участковой КТП (Δt3); - продолжительности существования опасного уровня обратной ЭДС АД (Δt4) после защитного отключения участковой сети. В простейшем случае: составляющая электротехнического комплекса после отключения напряжения питания представляется актив'

122


но-индуктивными сопротивлениями статора (Rs; Xs) и (приведенными) ротора (Rr’; Xr’) АД; жил кабеля (Rк; Xк) от АД до места утечки тока на землю R индуктивными сопротивлениями (X0) намагничивания АД, а также активно-ёмкостными сопротивлениями изоляции фаз (Rиз; Xиз) указанного кабеля (рис. 3.1). Обобщённый результат относительно воздействия обратной ЭДС АД (евр) может бать получен в ходе исследования структуры компьютерной модели (рис. 3.2) с учётом положений классической теории электротехники. Фаза «А» Фаза «В» Фаза «С»

RкА

XkА

RsА

XsА

XrА

Хиз

RrА ~

RкВ

XkВ

RsВ

XsВ ~

RкС

XkС

RsС

XsС ~

X0

Rиз

eврА

Rиз Хиз

Rиз

Rут

Хиз

еврС

RrС

Рисунок 3.1 – Расчётная схема участка электросети для исследования поражающего действия ЭДС вращения асинхронного двигателя

В частности, токи фазы "А" определяются соотношением [25]: (3.3) I&A = UAO / Z A; ..

'

'

где– UAO напряжение на нагрузке фазы "А": . . U A 0 = E вр ( Z B ( C ) − Z A /( Z B ( C ) − 2 Z A ));

Z В ( С ) = R 1 + j ω L 1 + ( R из ( − j / ω C изф ) /( R із − j / ω C изф ));

123

(3.4)

(3.5)


Z A = R 1 + j ω L 1 + ( R А ( − j / ω C изф ) /( R A − j / ω C изф ));

R A = R ут R из /( R ут + R из);

(3.6) (3.7)

В формуле (3.4) Евр – вектор обратной ЭДС АД; в формуле (3.6) R1; L1 – общие активное сопротивление и индуктивность фазы системы "кабель-двигатель", созданные последовательно включенными активными сопротивлениями и индуктивностями АД и кабеля до места утечки тока на землю, Сизф - ёмкость изоляции фазы. Вектор тока в фазе "А" определяется выражением: ..

..

I&A 1 = I&A ( − j / ω C изф ) /( R A − j / ω C изф );

(3.8)

где RA – активное сопротивление, созданное параллельно соединенными сопротивлениями изоляции кабеля Rиз и сопротивлением утечки Rут. Вектор тока в цепи сопротивления утечки на землю: ..

..

I& ут = I&A 1( R из /( R ут + Rиз );

(3.9)

В процессе исследования схемы (рис. 3.1) должны бать учтены следующие допущения: - отключенное силовое присоединение, в котором возникла цепь утечки землю (Rут=1 кОм) представляет собой гибкий шахтный экранированный кабель марки КГЭШ, подключенный к статору одного АД; - удельные активные и индуктивные сопротивления силовых жил кабеля соответствуют принятому его сечению типажного ряда: 4; 6; 10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120 (мм2 ); - ёмкостное сопротивление изоляции кабеля (ХС) соответствует его сечению и длине; - вероятные уровни активного сопротивления изоляции кабеля при его эксплуатации в сети линейного напряжения 660 В составляют 100 кОм/фазу и 31 кОм/фазу; - цепь повышенной проводимости между фазой и землёй возникает до отключения пускателя силового присоединения и существует после такого отключения. С учётом этих допущений полученные результаты относительно зависимости действующих значений параметра іут от длин и сечений кабеля, обусловленных воздействием обратной ЭДС АД (в диапазоне 0,85÷0,95 от номинального напряжения) без учёта экспоненты её уменьшения приведены на рис. 3.3 и обобщены в табл. 3.1; табл. 3.2 124


[25]. Они свидетельствуют, что в первый момент после отключения напряжения питания (со стороны КТП) обратная ЭДС АД способна создать в цепи утечки на землю ток, значительно превышающий нормируемую длительно безопасную величину (25 mА) [55]. Эти результаты подтверждают актуальность комплексного исследования воздействия обратных ЭДС АД в системах сложных конфигураций с учётом влияния параметров АД на величины Евр в процессе выбега АД, параметров средств коммутации силовых присоединений, особенностей функционирования защит от утечек тока на землю конкретных типов, других влияющих факторов.

Рисунок 3.2 – Расчётные значения тока утечки, обусловленного действием обратной ЭДС АД. Кабели КГЭШ с рабочими жилами сечений: а - 4 мм2; б - 16 мм2; в - 50 мм2; г - 120 мм2; l (м) - длина участка кабеля; 1 – Евр = 323 В; Rиз = 31 кОм/фазу; 2 – Евр = 323 В; Rиз = 100 кОм/фазу; 3 – Евр = 361 В; Rиз = 31 кОм/фазу; 4 – Евр = 361 В; Rиз = 100 кОм/фазу

125


Таблица 3.1 - Результаты расчёта начального тока в системе "кабель-двигатель" (фазная ЭДС АД - 323 В) Rиз, кОм 100

31

Длина кабеля l, м 50 100 150 200 50 100 150 200

6 10,2 12,4 15,3 18,7 28,7 29,5 30,7 32,2

Сечение рабочей жилы кабеля, кв. мм 10 25 35 70 Ток утечки (Rут=1 кОм), mA 10,7 11,6 12,2 16,1 14,0 15,9 18,2 27,6 18,1 21,2 25,1 39,9 22,6 27,0 32,4 52,3 28,9 29,3 29,5 31,0 30,1 31,2 32,0 37,5 31,9 33,6 35,9 46,2 34,4 37,1 40,7 56,0

95 19,6 35,5 51,8 68,0 32,7 42,9 55,6 69,3

Таблица 3.2 - Результаты расчёта начального тока в системе "кабель-двигатель" (фазная ЭДС АД - 361 В) Rиз, кОм 100

31

Длина кабеля l, м 50 100 150 200 50 100 150 200

6 11,4 13,9 17,1 20,9 32,1 32,9 34,3 36,6

Сечение рабочей жилы кабеля, кв. мм 10 25 35 70 Ток утечки (Rут=1 кОм), mA 12,0 12,9 13,6 18,0 15,6 17,7 20,3 30,8 20,2 23,7 28,1 44,6 25,3 30,2 36,2 58,4 32,3 32,8 32,9 34,6 33,6 34,8 35,7 41,9 35,1 37,5 40,1 51,6 38,4 41,4 45,5 62,6

95 21,9 39,7 57,9 76,0 36,6 47,9 62,2 77,4

3.2 Принципы моделирования электротехнического комплекса в контексте определения воздействия обратного энергетического потока асинхронных двигателей на цепь утечки тока на землю

Оценка электропоражающего фактора обратных ЭДС асинхронных двигателей при касании человеком фазного проводника в усло126


виях эксплуатации оборудования шахтного участкового электротехнического комплекса может бать выполнена с учётом допущений: - электропотребители участка оснащены асинхронными двигателями с короткозамкнутым ротором малой, средней и большой мощности, которые подключены к контакторам силовых коммутационных аппаратов (пускателей) гибкими экранированными шахтными кабелями по радиальной схеме; - реакцией системы электроснабжения на возникновение цепи утечки тока на землю является поэтапное появление переходных процессов в порядке существования: непосредственно, возникновение цепи утечки на землю; отключение напряжения питания со стороны КТП; появление и дальнейшее существование обратных энергетических потоков от АД потребителей при наличии их воздействия на точку возникновения цепи утечки тока на землю в связи с включенным состоянием контакторов; стохастический процесс самопроизвольного отключения контакторов по мере уменьшения величин обратных ЭДС. Это предполагает применение математической модели силовых элементов сети (что позволяет определить напряжение на аварийном участке сети) с последующим моделированием параметров изоляции кабеля совместно с сопротивлением цепи утечки на землю (что создаст возможность определения величины тока и количества электричества в цепи утечки). Достаточным по возможностям является принцип обоснования математической модели ЭТК участка шахты (УШ), предусматривающий использование метода пространственного вектора, когда общее действие всех трёх фаз выражается единой комплексной величиной [17]: 2 х = ( х a + a ⋅ хb + a 2 х c ) , (3.10) 3 где ха , хb , xc − мгновенные значения физической величины х трёхo

фазной системы; a = e j120 - фазовый множитель. Структурно силовая схема участкового ЭТК (рис. 3.3) включает общую часть сети, однодвигательные (в количестве b−1) и многодвигательные присоединения (в количестве n−b+1, где n − общее количество присоединений) [30]. К общей части сети относится вторичная обмотка трансформатора участковой КТП (представлена источником напряжения и и сопротивлением Z тр ), автоматический выключатель АВ распредустройства низкого напряжения КТП, аппарат защитного отключения цепи утечки тока на землю АЗ и магистральный кабель 127


МК. В состав присоединений входят коммутационные аппараты КА, гибкие кабели ГК и один или несколько асинхронных двигателей М потребителей (Мехj). Пространственный вектор тока в общей части сети обозначен iΣ , а в присоединениях − i j , где j = 1, n − номер присоединения. u1 и usj обозначают пространственные векторы напряжения в общей части сети и на зажимах статоров двигателей, соответственно.

Однодвигательные присоединения

Общая часть сети

Многодвигательные присоединения

Рисунок 3.3 - Структурная схема ЭТК УШ, принятая для моделирования

На схеме замещения однодвигательного присоединения ("КАГК-АД") ЭТК участка шахты (рис. 3.4, а) приняты обозначения [98]: RКА − активное сопротивление фазы коммутационного аппарата; Rк , Lк − активное сопротивление и индуктивность гибкого кабеля; Rs , Rr - активное сопротивление фазы статора и приведенное активное сопротивление фазы ротора, соответственно; Lsl , Lrl - индуктивность рассеивания статора и ротора (приведенная к статору), соответственно; Lm - индуктивность намагничивания двигателя; ψ r - пространственный вектор потокосцепления ротора; ω - скорость вращения ротора двигателя; i , ir − пространственные векторы тока в статорной цепи и тока ротора двигателя, соответственно. 128


Приведенная схема замещения является корректной при соединении обмоток статора двигателя по схеме "звезда" (Y). Соединение этих обмоток по схеме "треугольник" (Δ) требует пересчёта параметров "треугольника" к эквивалентной "звезде". Для учёта схемы соединения статорных обмоток двигателя (в силовом присоединении) в аналитические выражения необходимо ввести схемный коэффициент: схема Y ; ⎧1, kсх = ⎨ ⎩ 3, схема Δ.

(3.11)

На расчётной схеме замещения присоединения (рис. 3.3) обозначено: 2 R1 = k cх ( RКА + Rк ) + Rs . (3.12)

а)

б) Рисунок 3.4 - Схема замещения однодвигательного присоединения «КА-ГК-АД») ЭТК УШ: а - исходная; б - расчётная

Описанием процессов в присоединении "КА-ГК-АД" является система уравнений, учитывающая состояние электрического равновесия в неподвижной системе координат с заданием основного уравнения динамики электродвигателя [100]: ⎧ ⎪ψ 1 = ∫ (u1 − i R1 )dt + ψ 1 (0 ) ; ⎪⎪ ⎨ψ r = ∫ ( jωψ r − ir Rr )dt + ψ r (0) ; ⎪ ⎪ω = 1 ∫ (M − M c )dt + ω (0 ) , ⎪⎩ J

129

(3.13)


где ψ 1 − пространственный вектор потокосцепления статора АД и ГК; M − электромагнитный момент двигателя, рассчитываемый в соответствии с зависимостью [17]: (3.14) M = −1,5ψ r × ir = −1,5 Im[ψˆ r ir ] . Все расчёты, касающиеся АД, выполняются применительно к двухполюсным асинхронным машинам [101-102]. Если асинхронная машина многополюсная, механические параметры должны быть пересчитаны к эквивалентной двухполюсной машине относительно величин угловой скорости ω = рω ′ ; вращающего момента M = M ′ p ; момента инерции J = J ′ p 2 . Пространственные векторы тока в цепи статора АД, соответственно, вычисляются по зависимостям [17]: i = ( Lrψ 1 − Lmψ r ) ( L1Lr − L2m ) ; (3.15) ir = ( L1ψ r − Lmψ 1 ) ( L1Lr − L2m ) , (3.16) при этом 2 L1 = kсх Lк + Lsl + Lm ; (3.17) Lr = Lrl + Lm . (3.18) Связь пространственного вектора u1 , созданного из фазных напряжений эквивалентного "треугольника" присоединения с аналогичным вектором u1e , созданным из фазных напряжений эквивалентной "звезды", устанавливает зависимость: u1 = k сх u1e . (3.19) Ток присоединения i , рассчитанного для эквивалентного "треугольника", может быть пересчитан в ток эквивалентной "звезды" ie по формуле: ie = kсхі . (3.20) Считая коммутации КА идеальными, целесообразно допущение, что при замкнутых контактах RКА = RКА min , а при разомкнутых RКА = RКА max , тогда: ⎧ R КА max , если β = 1; R КА = ⎨ (3.21) ⎩ R КА min , если β = 0 , где β = β ′ ∨ β ′′ ∨ β ′′′ − переменная, определяющая состояние контактов КА: β ′ − переменная, определяющая наличие команды обслуживающего персонала на отключение контактора ( β ′ = 1 − разомкнутые контакты КА); β ′′ − переменная, принимающая значения β ′′ = 1 при произвольном отключении КА из-за снижения напряжения на катушке 130


электромагнита управления КА; β ′′′ − переменная, равная логической единице при наличии других команд на отключение КА (например, от максимальной токовой защиты). Представление переменной β в качестве совокупности логических составляющих β’÷β’’’, объединённых функцией "ИЛИ" позволяет конкретизировать эту переменную в соответствии с конкретной функцией защиты. Так, переменная относительно защиты минимального напряжения контактора определяется как [35]: ⎧0, если ξ > 0 ; β ′′ = sign(1 − signξ ) = ⎨ (3.22) ⎩1, если ξ ≤ 0, где ξ = U1 − k zU фн ; U1 − эффективное значение фазного напряжения на входе контактора; U фн − номинальное значение фазного напряжения; k z − относительное значение напряжения, при котором коммутаци-

онный аппарат отключается защитой минимального напряжения. Функция sign произвольного аргумента δ определяется, как: если δ > 0 ⎧1, ⎪ signδ = ⎨0, если δ = 0 . (3.23) ⎪− 1, если δ < 0 ⎩ Для учёта случайного характера самопроизвольного отключения КА во время выбега двигателей вводится непрерывная случайная величина K z , реализации которой k z определяют относительные значения напряжения отключения коммутационного аппарата. При моделировании работы нескольких присоединений в составе ЭТК УШ, следует допустить, что і-й коммутационный аппарат характеризуется своей случайной величиной K z i . При этом величины K z i являются одинаково распределёнными (характеризуются одинаковыми параметрами математического ожидания a и среднего квадратичного отклонения σ ) и взаимно независимыми случайными величинами. Значения пространственного вектора напряжения на зажимах статора АД определяются в соответствии с зависимостью:

us = i Rs + Ls ⋅ di / dt + Lm ⋅ dir / dt .

131

(3.24)


В случае соединения фаз статора АД в "треугольник" пространственный вектор, созданный из напряжений эквивалентной "звезды", вычисляется, как: use = us / kсх . Таким образом, представленная математическая модель присоединения "КА-ГК-АД" (рис. 3.4) учитывает стохастическое самопроизвольное отключение КА при снижении напряжения, поступающего на схему управления катушкой контактора. Обобщённая структура этой модели иллюстрируется рис. 3.5,а [35]. В случае применения нескольких асинхронных двигателей в качестве нагрузки силового присоединения процессы в гибком кабеле питания и коммутационном аппарате описываются уравнением: use = u1e − ( RКА + Rк )ie − Lк ⋅ die / dt , (3.25) что иллюстрируется структурами (рис. 3.5, б; в)

б)

а)

в)

г)

Рисунок 3.5 - Структурные схемы: а – математической модели присоединения «КА-ГК-АД» (единым блоком); б – присоединения при питании совокупности АД через один кабель; в – математической модели «КА-ГК» при питании совокупности АД через один кабель (единым блоком); г – математической модели АД при его функционировании в составе многодвигательного присоединения (единым блоком)

132


Формализованное описание процессов в АД многодвигательного присоединения по структуре представлено выражением [17]: ⎧ ⎪ψ s = ∫ (u s − iM Rs )dt + ψ s (0); ⎪⎪ ⎨ψ r = ∫ ( jωψ r − ir Rr )dt + ψ r (0); (3.26) ⎪ ⎪ω = 1 ∫ (M − M c )dt + ω (0) , ⎪⎩ J iM = ( Lrψ s − Lmψ r ) ( Ls Lr − L2m ) ; (3.27) ir = ( Lsψ r − Lmψ 1 ) ( Ls Lr − L2m ) , (3.28) где ψ s − пространственный вектор потокосцепления статора двигателя; Ls = Lsl + Lm . Процессы в общей части сети "ТР-АВ-МК" (рис. 3.7) описываются уравнением: di u1 = u − Rтр + R АВ + RМК iΣ − Lтр + LМК Σ . (3.29) dt Считая, что на выходе участкового трансформатора симметричное трёхфазное напряжение прямой последовательности и неизменной частоты f , пространственный вектор u определяется, как:

(

)

(

u = 2U фe j 2π f t ,

)

(3.30)

где U ф − эффективное значение фазной ЭДС, индуктируемой во вторичной обмотке трансформатора (оно не зависит от схемы соединения вторичных обмоток трансформатора). В случае соединения вторичных обмоток участкового трансформатора по схеме "звезда", нейтральная точка является изолированной. Коммутации АВ принимаются идеальными, т.е. такими, которые осуществляются за бесконечно малый отрезок времени при отсутствии электрической дуги. Параметр R АВ в функции состояния автоматического выключателя принимается с допущением, что при замкнутых его контактах R АВ = R AB min , а при разомкнутых - R АВ = R AB max . В этом случае:

⎧ R AB max , если α = 1; R АВ = ⎨ ⎩ R AB min , если α = 0 , 133

(3.31)


где α = α ′ ∨ α ′′ ∨ α ′′′ − переменная, определяющая состояние контактов автоматического выключателя: при α = 1 контакты АВ разомкнуты, при α = 0 − замкнуты; " ∨ " – оператор логической функции "ИЛИ"; α ′ − переменная, определяющая наличие команды обслуживающего персонала на отключение автоматичного выключателя ( α ′ = 1 − разомкнутые контакты АВ); α ′′ принимает значение α ′′ = 1 при наличии команды от независимого расцепителя на отключение АВ; α ′′′ равно логической единице при наличии других команд на отключение автоматического выключателя (от максимального токового расцепителя, нулевого расцепителя напряжения и т.п.).

а)

б)

Рисунок 3.6 – Схемная интерпретация объекта моделирования «ТР-АВ-МК» а – схема замещения; б – структурная схема модели (единым блоком)

Допущение об идеальном характере отключения АВ (т.е., о скачкообразном изменении сопротивления RАВ от R AB min до RAB max ) предполагает скачкообразное снижение тока в общей части сети. Однако, последнее противоречит первому закону коммутации (относительно изменения тока через индуктивность Lтр и LМК ). Учитывая это, следует ввести допущение, что от момента отключения автоматического выключателя индуктивности Lтр и LМК не принимаются во внимание при анализе процессов в системе. Такое допущение не снизит точность параметров модели, т.к. после отключения АВ только активно-ёмкостные параметры изоляции магистрального кабеля (участок "ТР-АВ-МК") воздействуют на состояние цепи утечки тока на землю. Пренебрежение индуктивностями Lтр и LМК после защитного отключения АВ должно учитываться введением в уравнение 134


(2.29) инверсной к α величины α . В этом случае выражение (3.29) примет вид при условии соединения вторичной обмотки "ТР" по схеме "звезда":

(

)

(

)

u1 = 2U фe j 2π f t − Rтр + R АВ + RМК iΣ − Lтр + LМК α

diΣ . dt

(3.32)

В случае соединения вторичной обмотки трансформатора в "треугольник" его параметры пересчитываются с учётом коэффициента схемы kсх : 2U фe j 2π f t

⎛ Rтр ⎞ ⎛ Lтр ⎞ di − ⎜ 2 + R АВ + RМК ⎟ iΣе − ⎜ 2 + LМК ⎟ α Σе (3.33) ⎜k ⎟ ⎜k ⎟ dt kсх ⎝ сх ⎠ ⎝ сх ⎠ Функция АЗ по формированию команды α ′′ (в данном случае,

u1е =

′′ .с. ) определяется как: α ав

⎧⎪1, Rв ≤ Rв*; ′′ .с. = ⎨ α ав (3.34) ⎪⎩0, Rв > Rв* , ′′ .с. − переменная, определяющая наличие аварийного состоягде α ав ′′ .с. = 0 − аварийное состояние отсутствует; α ав ′′ .с. =1 − ния в системе ( α ав в системе есть утечка тока на землю); R ут − сопротивление цепи * утечки (в случае отсутствия утечки тока R ут → ∞ ); R ут − предельно допустимое сопротивление цепи утечки тока на землю. Время τ , затрачиваемое аппаратом защиты на идентификацию наличия опасного состояния и формирование команды на отключение силового коммутационного аппарата может бать учтено путём ввода в модель АЗ участка запаздывания с передаточной функцией: W ( p ) = e− pτ . (3.35) Параметр запаздывания τ в соответствии с [56] составляет: для сетей напряжением 660 В − не более 0,1 с; для сетей 1140 В − не более 0,07 с. Сигнал на отключение АВ α ′′ рассчитывается по формуле: ′′ .с. . α ′′ = e − pτ ⋅ α ав (3.36) Зависимости (2.37) − (2.40) представляют собой математическую модель общей части сети "ТР-АВ-МК" (рис. 3.7, б), которая учитывает отключение системы автоматическим выключателем в случае появления утечки тока на землю.

135


Rут Rиз

Rут - сопротивление цепи утечки на землю; Cиз; Rиз - совокупная ёмкость и активное сопротивление изоляции 3-х фаз сети; Lдр - индуктивность компенсирующего дросселя; іут – ток утечки на землю

Сиз

Рисунок 3.7 - Схема замещения цепи однофазной утечки на землю

Обоснованные математические модели присоединений и общей части сети позволяют представить обобщённую структурную схему модели ЭТК (рис. 3.3) структурами её отдельных элементов (рис. 3.5 и 3.6) с учётом параметров и функциональных связей. С целью определения функции воздействия обратного энергетического потока асинхронных двигателей потребителей на цепь утечки тока на землю в процессе и после защитного отключения сети математическая модель объекта должна включать структурную составляющую, описывающую непосредственно процессы в звене, созданном цепью утечки тока на землю. На схеме (рис. 3.7) источником напряжения uф до момента защитного отключения сети является участковая КТП, а после – уменьшающаяся ЭДС вращения двигателей потребителей электротехнического комплекса; Cиз=3 Сизф; Rиз=Rизф/3, где Сизф; Rизф – соответственно, совокупная ёмкость и активное сопротивление одной фазы кабельной сети, имеющей электрическую связь с цепью утечки тока на землю [35]. Учитывая изменение конфигурации рассматриваемой системы во время выбега электродвигателей при стохастическом самопроизвольном отключении контакторов, следует иметь в виду, что величины Сизф и Rизф не будут оставаться неизменными. Их вычисление в произвольно выбранный момент процесса защитного обесточивания цепи утечки тока на землю должно выполняться по формулам [99]: Сиз ф

n ⎛ ⎞ = β k ⎜ Cиз′ ф + ∑ β i Cиз′′ ф i ⎟ + β k Cиз′′ ф k = f (Cиз′ ф , {Cиз′′ ф i }, {β i }, k ) ; i =1 ⎝ ⎠

(3.37)

−1

Rиз ф

n ⎡ ⎛ 1 β ⎞ β ⎤ = ⎢β k ⎜ + ∑ i ⎟ + k ⎥ = f (Rиз′ ф , {Rиз′′ ф i } , {β i }, k ) , ⎜ ′ ′′ ⎟ ′′ ⎣⎢ ⎝ Rиз ф i =1 Rиз ф i ⎠ Rиз ф k ⎦⎥

(3.38)

где символ β обозначает инверсное значение переменной состояния КА β (3.31); k − номер присоединения, в котором произошла утечка 136


тока на землю; C из′ ф , Rиз′ ф − ёмкость и активное сопротивление изоляции фазы магистрального кабеля, соответственно; C из′′ ф i , Rиз′′ ф i − то же − гибкого кабеля і−го присоединения ( i = 1 ÷ n ); {Cиз′′ ф i } , {Rиз′′ ф i } − векторы параметров изоляции гибких кабелей; {βi } − вектор переменных состояния коммутационных аппаратов присоединений. Учёт функции компенсирующего дросселя состоит в следующем: - индуктивное сопротивление дросселя автокомпенсатора 2πfL=1/2πf Cиз (1-ν) должно учитывать величину коэффициента ν рассогласования при настройке (рекомендовано ν=±0,1) [35]; - при изменении ёмкости изоляции сети перенастройка дросселя носит апериодический характер, что учитывается апериодическим звеном первого порядка, на вход которого подаются мгновенные значения индуктивности (дросселя); - после отключения коммутационного аппарата (КА) аварийного присоединения компенсирующий дроссель не влияет на состояние цепи утечки тока на землю, что может быть учтено введением в математическую модель цепи утечки переменной состояния КА β k (при включенном КА β k =1, при отключенном β k =0). Для исследования состояния системы без учёта устройства компенсации вводится логическая переменная α ак : ⎧0, компенсатор отсутствует; α ак = ⎨ (3.39) ⎩1, автокомпенсатор задействован При нулевых начальных условиях и с учётом переменных α ак и β k процессы в схеме (рис. 3.7) будут описываться системой уравнений (3.40), куда введена дополнительная переменная i4 . Количество электричества, прошедшего через сопротивление однофазной утечки на землю за интервал времени [t ' , t ' ' ] , рассчитывается в соответствии с зависимостью (3.41), где I л − эффективное значение тока утечки. Началом аварийного процесса должен считаться момент касания человеком элемента электрооборудования, находящегося под напряжением, а окончанием - момент достижения амплитудой ЭДС двигателя аварийного присоединения 3% от величины, соответствующей началу выбега при работе (в предыдущий момент) с номинальной частотой вращения и электропитании номинальным напряжением: 137


1 ⎧ = i ⎪ 1 R C ∫ i2 dt; из из ⎪ ⎪i2 = 1 (uф − i1Rиз ) − i1 − i3 ; Rв ⎪ ⎨i = α β i dt; ак k ∫ 4 ⎪3 1 ⎪ = i ⎪ 4 L C ∫ i2 dt; др из ⎪ ⎩i л = i1 + i2 + i3 .

(3.40)

t ''

q = ∫ I л dt , t'

(3.41)

Структурная схема математической модели цепи однофазной утечки тока на землю с учётом наличия устройства автокомпенсации ёмкостной составляющей тока утечки на рис. 3.9. В состав модели устройства автоматической компенсации ёмкостной составляющей тока утечки (позиция 23) добавлены блоки выявления момента реконфигурации сети. Определение логических переменных состояния коммутационных аппаратов присоединений должно сопровождаться формированием импульса при каждом изменении параметров изоляции сети. По каждому импульсу блок "Gn" создаёт новую реализацию коэффициента рассогласования v , которая поступает в блок вычисления величины индуктивности дросселя L по выражению (2.47), что позволяет учитывать стохастический характер ошибки автоматической настройки компенсатора при изменении конфигурации системы. Воздействие на величину количества электричества через сопротивление цепи утечки тока на землю со стороны факторов, изменяющихся случайно, определяет его вероятностный характер.

138


Rиз.ф

Gn

Rиз

1/3

Сиз.ф

q.

2 2Сізф(1-v) i/ω l1i/ω Cиз ф(l-v)

L

βі.

Rут.

Блок определения количества электричества (БКЭ)

Си

3

v

uф.

dΣβi/dt

Lдр

1i/ТАКp+1

Автокомпенсатор NOT

αА

βі.

αАК ;βі. Сиз

Сиз

БКЭ

Lдр

Сиз

Rиз uф αАК ;βі. Rут Iут

q

Рисунок 3.9 - Пример структуры модели цепи утечки тока на землю 139


С учётом обозначения совокупности реализаций случайной величины количества электричества Q и допущения о нормальном распределении данной величины может бать обоснован критерий оценки потенциальной электроопасности ЭТК участка шахты той или иной конфигурации - вероятность того, что в конкретных условиях случайная величина Q примет значение, превышающее предельную величину Q доп =50 mА⋅с [56], т.е. вероятность P(Q > Q доп ) . Вывод о потенциальной опасности электропоражения человека может быть сделан на основании сравнения вычисленного значения вероятности P (Q > Q доп ) с предельным допустимым значением Pдоп . При условии известных выборочных характеристик распределения величины Q вероятность P(Q > Q доп ) может быть рассчитана по зависимости [99]: ⎛Q −Q ⎞ P (Q > Qдоп ) = 0,5 − Φ ⎜⎜ доп ⎟⎟ , (3.42) s ⎠ ⎝ 1 х −z2 / 2 dz − функция Лапласа, [106]; В выражении (3.42) Φ( х ) = ∫е 2π 0 Q , s − соответственно, выборочные значения математического ожи-

Конфигурация и параметры компонентов ЭТК

дания и среднего квадратичного отклонения общего количества электричества через сопротивление тела человека в течение времени возникновения и дальнейшего обесточивания (защитными устройствами) цепи утечки тока на землю. Математическая модель силовой части ЭТК участка шахты мгновенные значения напряжения в аварийной точке

состояние коммутационных аппаратов системы

Модель цепи однофазной утечки на землю

мгновенные значения тока утечки

количество электричества (Q ) через сопротивление цепи утечки на землю

вероятность Q >Qдоп

Рисунок 3.10 - Обобщённая схема математического моделирования процессов в электротехническом комплексе участка шахты при однофазной утечке тока на землю 140


Обобщённая структура схемы математического моделирования процессов в шахтном участковом электротехническом комплексе при возникновении однофазной цепи утечки тока на землю с учётом воздействия обратных ЭДС АД потребителей приведена на рис. 3.10. 3.3 Анализ свойств обратных энергетических потоков относительно формирования электропоражающего фактора после отключения напряжения питания участковой электросети

Обоснованная модель исследования состояния участкового электротехнического комплекса в случае возникновения цепи утечки тока на землю (п. 3.2) предусматривает возможность варьирования количеством и параметрами асинхронных двигателей потребителей; количеством, сечениями и длинами применяемых кабелей. Это даёт возможность выполнения комплексного исследования путём обобщения и анализа результатов рассмотрения состояний участковых электротехнических комплексов конкретных структур (в пределах типажных рядов мощностей КТП и АД, сечений силовых жил кабелей, применяемых в системах электроснабжения шахтных участков). Временными характеристиками в этом случае следует считать следующие контрольные моменты времени: t1 – момент возникновения однофазной утечки тока на землю в цепи двигателя первого присоединения ЭТК участка; t2 - момент защитного отключения АВ; t3 момент самопроизвольного отключения КА аварийного присоединения; t4 - момент "затухания" ЭДС двигателя аварийного присоединения, определяется по достижении амплитудой ЭДС вращения 3% от начального значения; tКА1; …; tКА7 моменты самопроизвольного отключения КА присоединений системы. В данном случае аварийным является присоединение № 1, поэтому tКА1=t3. Моделирование утечки тока на землю в электротехническом комплексе с n потребителями целесообразно выполнять при различных режимах функционирования КА присоединений. При этом следует учитывать следующие состояния его структурных составляющих: - режим одиночного выбега двигателей потребителей ЭТК УШ после защитного отключения напряжения питания обусловливается принудительным отключением (одновременно с автоматическим выключателем) КА всех присоединений сети; 141


- нарушение электрической связи между двигателями приводит к прекращению протекания уравнительных токов в присоединениях; - характер затухания обратной ЭДС АД каждого присоединения и снижения частоты вращения его ротора определяются параметрами данного двигателя и условиями его выбега; - идентичность двигателей присоединений определяет совпадение кривых обратных ЭДС и частот вращения их роторов; - диапазон напряжений произвольного отключения контакторов находится в пределах 0,3÷0,5 от номинального напряжения сети. Эти соображения иллюстрируются диаграммами обратных ЭДС (Uфеі), и угловых скоростей ni АД в режиме выбега (рис.3.11) типового электротехнического комплекса (рис. 3.12). Амплитуды тока утечки на землю іЛ и накопления количества электричества q, прошедшего через сопротивление утечки (Rут=1 кОм) обусловливаются источниками ЭДС и конфигурацией кабельных линий, соединяющих эти ЭДС с точкой возникновения утечки. Типовыми состояниями ЭТК в этом случае являются. 1. До момента t2 защитного отключения АВ при отсутствии компенсации ёмкостной составляющей тока утечки на землю состояние аварийной точки определяется напряжением питания и параметрами изоляции кабельной сети участка шахты. После одновременного с АВ отключения КА всех присоединений состояние цепи утечки определяют обратная ЭДС двигателя аварийного присоединения и параметры изоляции его гибкого кабеля (рис. 3.13). 2. Коммутационные аппараты присоединений остаются включенными некоторое время при групповом выбеге двигателей, в этом случае АД остаются электрически соединёнными, общая часть сети уравнивает обратные ЭДС двигателей, в присоединениях протекают уравнительные токи (рис. 3.14) [103]. Фазы уравнительных токов не являются одинаковыми из-за невозможности нарушения первого закона Кирхгоффа для общей части сети. Это, при одинаковых фазных соотношениях обратных ЭДС двигателей определяет функционирование некоторых АД в двигательном, а других – в генераторном режимах [103-105]. После защитного отключения АВ двигатели присоединений № 4-7 (рис. 3.15) функционируют в двигательном режиме, потребляя энергию, которую отдают АД присоединений № 1-3, перешедшие в генераторный режим. Состояние цепи однофазной утечки тока на землю определяется ЭДС группового выбега двигателей и (через неизменность конфигурации ЭТК участка шахты) параметрами изоляции сети (рис. 3.16). 142


об/мин

аварийный процесс

аварийный процесс

Рисунок 3.11 - Диаграммы действующих значений фазных ЭДС выбега (а) и частот вращения роторов (б) двигателей потребителей ЭТК участка при напряжении сети 660 В в режиме одиночного выбега

КГЭШ 3х50 l = 210 м 160 кВт КГЭШ 3х50

КА1

SA2

КГЭШ 3х35

КA3

КА4

КA5

КГЭШ 3х16

КГЭШ 3х50

160 кВт

l = 50 м

l = 50 м 55 кВт

2 ЭВТ 3х120 l = 50 м

Rут КА2

l = 210 м 160 кВт

КТПВ 630-6/069

КГЭШ 3х35

55 кВт

l = 20 м КА6

КA7

l = 50 м

КГЭШ 3х35

18,5 кВт

l = 50 м

30 кВт

Рисунок 3.12 – Схема ЭТК участка шахты, принятая для моделирования 143


Rиз.ф

Сиз.ф

Рисунок 3.13 - Диаграммы, характеризующие состояние цепи утечки тока на землю в ЭТК (напряжение 660 В) при отключении КА присоединений одновременно с АВ: ток (кривая 1) однофазной утечки на землю iл; кривая 2 накопление количества электричества q через сопротивление Rут; ёмкость Cиз ф (3) и активное сопротивление Rиз ф (4) изоляции фазы кабельной сети, определяющие ток утечки; компенсация ёмкостного тока утечки отсутствует

ie. A

Рисунок 3.14 - Диаграммы модулей пространственных векторов уравнительных токов присоединений во время группового выбега асинхронных двигателей (1–7 обозначают номер присоединения) 144


Отключение АВ Утечка тока на землю

«затухание» ЭДС АД присоединения с цепью утечки тока на землю

ОПАСНЫЙ ПРОЦЕСС

Рисунок 3.15 − Диаграммы электромагнитных моментов (а) и мгновенных значений мощности (б) двигателей ЭТК (напряжение 660 В) во время группового выбега; ось (в) для иллюстрации временнóго диапазона, изображённого на диаграммах (а) и (б)

Экспоненциальное снижение групповой ЭДС двигателей (рис. 3.20) ведёт к уменьшению напряжения на катушках управления контакторами коммутационных аппаратов присоединений, что является причиной самопроизвольного отключения последних (рис. 3.19). На интервале [t2, t3] (рис. 3.17) нахождения двигателей в режиме группового выбега (на протяжении включенного состояния коммутационных аппаратов) в общей части сети формируется ЭДС группового выбега, поддерживающая ток утечки (рис. 3.19, б). 145


q, мА⋅с 80

iл, А q

60 40 іл

20

а)

0

t, c

t1 t2

t4 t, c

отключение АВ утечка тока

б)

затухание ЭДС АД присоединения с утечкой

о п а с н ы й

п р о ц е с с

Рисунок 3.16 – Диаграммы тока іл и количества электричества q через сопротивление утечки на землю (а) в сети напряжения 660 В при постоянно включенных коммутационных аппаратах присоединений и при отсутствии компенсации ёмкостной составляющей тока утечки на землю; ось (б) - временнóго диапазона, изображённого на диаграммах (а)

отключение КА всех присоединений отключение АВ утечка тока на землю

«затухание» ЭДС АД присоединения с цепью утечки на землю

Рисунок 3.17 − Диаграммы эффективных значений ЭДС двигателей Uфе1-Uфе7 (фазные величины) во время аварийного процесса в ЭТК (напряжение 660 В) при отключении КА присоединений в момент снижения напряжения в сети до 50% от номинального уровня

146


Rиз ф, МОм 50

Сиз ф, мкФ 0,5

q, мА⋅с 60

40

0,4

45

30

0,3

30

20

0,2

15

10

0,1

0

iл, А

Rіз ф

іл

а)

t2

t1 t1 t2

t3

30 30.1

30,4

Сіз ф

t, c

t3

t4 32

откл. КА всех присоединений

t, c

«затухание» ЭДС АД присоединения с утечкой

отключение АВ утечка тока

б)

q

о п а с н ы й

п р о ц е с с

Рисунок 3.18 – Диаграммы тока утечки іл, накопления количества электричества q через сопротивление аварийной точки, ёмкости Cиз ф и активного сопротивления Rиз ф изоляции фазы кабельной сети в условиях ЭТК напряжением 660 В (а) при отключении КА присоединений по уменьшению напряжения в сети до 50% от номинального; ось (б) для иллюстрации временнóго диапазона диаграмм (а) Сиз.ф

Rиз.ф

Rиз.ф

Сиз.ф

Рисунок 3.19 – Диаграммы, полученные моделированием переходного процесса при возникновении утечки тока на землю в ЭТК напряжением 660 В, характеризующие величину тока утечки іл, количество электричества q через сопротивление утечки и параметры изоляции сети Сиз ф, Rиз ф, влияющие на состояние цепи утечки 147


После самопроизвольного отключения всех присоединений двигатели переходят в режим одиночного выбега. Ток однофазной утечки на землю в данном режиме функционирования присоединений поддерживается ЭДС вращения двигателя аварийного присоединения (рис. 3.18). Изменение конфигурации сети в момент t3 самопроизвольного отключения КА присоединений создаёт скачкообразное изменение параметров изоляции кабельной сети, определяющих состояние аварийной точки (реконфигурация сети изменяет характер затухания тока утечки землю). В связи с различиями параметров, двигатели обмениваются мощностями [106-107]. При составлении энергетического баланса системы установлено, что суммарная энергия ∑Wг і , отданная АД на протяжении их функционирования в генераторном режиме, равна энергии ∑Wд і , потреблённой другими АД во время их нахождения в двигательном режиме (после отключения напряжения питания сети) с допустимой для технических расчётов погрешностью 0,4%. Это свидетельствует о выполнении закона сохранения энергии. Диаграммы (рис. 3.20 и 3.21) иллюстрируют процесс накопления количества электричества в цепи утечки тока на землю с учётом воздействия обратных ЭДС распределённых источников (в т.ч., после отключения напряжения сети) и стохастического закона отключения контакторов пускателей соответствующих присоединений. Наличие в системе устройства автоматической компенсации тока утечки на землю позволяет улучшить состояние электробезопасности аварийной точки в начале опасного состояния (момент t1 ) до момента t3 самопроизвольного отключения коммутационного аппарата аварийного присоединения (рис. 3.20, в). Ёмкостная составляющая тока утечки на землю не компенсируется полностью из-за перестройки индуктивности автокомпенсатора при стохастическом изменении конфигурации сети, что иллюстрирует сопоставление диаграмм реактивных сопротивлений ёмкости (между тремя фазами сети xC = 1 /(ω Cіз ) и индуктивности компенсирующего дросселя xL = ωLк (рис. 3.20, б). После самопроизвольного отключения коммутационного аппарата аварийного присоединения (момент t3 ) компенсация ёмкостной составляющей тока утечки на землю невозможна, т.к. нарушается электрическая связь компенсирующего дросселя с аварийной точкой (рис. 3.20, б). Состояние цепи утечки обусловливается обрат148


ной ЭДС двигателя и параметрами изоляции присоединения с цепью утечки тока на землю. хL ∞ относительно цепи утечки тока на землю

Рисунок 3.20 – Диаграммы моделирования переходного процесса в ЭТК напряжением 660 В при утечке тока на землю при наличии автокомпенсации ёмкостного тока утечки: а − ёмкостное сопротивление изоляции трёх фаз сети относительно земли хС и индуктивное сопротивление автокомпенсатора xL; б − мгновенные значения тока утечки iл и накопление количества электричества q через сопротивление утечки [35; 108]; t1- момент возникновения утечки тока; t2- момент отключения АВ; t3- момент отключения коммутационного аппарата аварийного присоединения

Предложенные исследовательские подходы позволяют определять параметры цепи утечки тока на землю с учётом конкретики конфигурации источников ЭДС, воздействующих на точку утечки. Это позволяет установить потенциальную опасность обратных ЭДС (рис. 3.21) при условии применения машин высокой мощности и перехода на питание напряжением повышенного номинального уровня (1140 В) и сделать взвод о целесообразности применения дополнительных технических решений по ускорению обесточивания цепи утечки тока на землю при защитном отключении сети. 149


Rиз.ф

Cиз.ф

Cиз.ф

Rиз.ф

Рисунок 3.21 – Пример расчётной диаграммы моделирования переходного процесса ЭТК напряжением 1140 В при утечке тока на землю с учётом действия обратных ЭДС АД пяти потребителей и стохастического закона отключения контакторов КА1-КА5 их пускателей: а – накопление количества электричества q через сопротивление утечки и параметры изоляции сети Сиз ф, Rиз ф, которые влияют на состояние цепи утечки ЭТК; б – ток утечки на землю іл; устройство компенсации ёмкостной составляющей тока утечки на землю отсутствует. Параметры присоединений: Р1=250 кВт; кабель КГЭШ 3х35, l - 390 м; Р2=250 кВт; кабель КГЭШ 3х35, l - 390 м; Р3=295 кВт; кабель КГЭШ 3х50, l - 390 м; Р4=340 кВт; кабель КГЭШ 3х70, l - 390 м; Р5=110 кВт; кабель КГЭШ 3х16, l - 390 м

150


3.4 Обобщение функции воздействия обратных энергетических потоков асинхронных двигателей на состояние электробезопасности с учётом параметров и условий эксплуатации электротехнического комплекса

Обобщая результаты, изложенные в п.3.3, можно сделать взвод, что электробезопасность ЭТК участка шахты определяется (рис. 3.22): сопротивлением цепи утечки тока на землю; уровнем питающего напряжения; продолжительностью отключения сети; обратной ЭДС АД; параметрами изоляции кабелей ЭТК; характером самопроизвольного отключения коммутационных аппаратов присоединений. Анализируя указанные процессы, следует иметь в виду, что после момента отключения ток в присоединении и в статорной обмотке АД рамен нулю ( i = 0 ). Соответственно, является нулевым и электромагнитный момент двигателя ( M = 0 ). При таких условиях система уравнений, описывающая процессы в присоединении ЭТК в системе координат статора АД, имеет вид: ⎧ dir = ; u L m 1 ⎪ dt ⎪ i ⎪ d ir = jω ir − r ; ⎨ Tr ⎪ dt ⎪ dω − M ñ = , ⎪ J ⎩ dt

(3.43)

где ir − пространственный вектор свободного тока ротора; u1 − пространственный вектор напряжения в месте подключения ГК присоединения к КА, равен вектору напряжения на зажимах статора АД (т.к ток в присоединении отсутствует); Lm − индуктивность главного магнитного контура АД. Свободный ток ротора, определяющий величину ЭДС вращения, обусловлен постоянной времени ротора Tr = Lr / Rr и характером снижения частоты вращения ω ротора двигателя во время выбега, на что указывает второе уравнение системы (3.43). Важным следует считать учёт влияния на продолжительность существования обратной ЭДС АД величин момента сопротивления Мс и момента инерции J привода (с увеличением нагрузки, уменьшением момента инерции замедление ротора осуществляется интенсивнее, что ускоряет снижение ЭДС вращения). Это сопровождается снижением продолжитель151


Электробезопасность эксплуатации участкового электротехнического комплекса

ности существования опасных уровней обратной ЭДС и, соответственно, уменьшением общего количества электричества через сопротивление человека за время аварийного процесса. Сопротивление цепи однофазной утечки на землю Уровень напряжения питания Продолжительность защитного откл. сети

Обратные ЭДС АД потребителей

Свободные токи роторов Характер замедления роторов АД

Параметры изоляции кабельной сети Параметры самопроизвольного откл. КА присоединений

Постоянные времени роторов АД присоединений Моменты сопротивления на валах АД Моменты инерции приводов

Длины кабелей сети Сечения жил кабелей сети Математические ожидания напряжений самопроизвольного отключения КА

Дисперсии напряжений самопроизвольного отключения КА

Рисунок 3.22 - Структурная схема для иллюстрации влияния на электробезопасность ЭТК участка параметров элементов и режимов их работы

Таким образом, можно сделать вывод о влиянии на состояние электробезопасности эксплуатации участкового электротехнического комплекса не только параметров его структурных составляющих, но и условий эксплуатации асинхронных двигателей потребителей. Представляет опасность состояние, когда после защитного отключения сети (в связи с возникновением утечки тока на землю) сохраняется включенное состояние коммутационных аппаратов присоединений в течение времени существования ЭДС АД. От момента t1 возникновения утечки тока на землю до момента t2 защитного отключения сети от питающей подстанции эффективное значение тока утечки на землю вычисляется в соответствии с зависимостью [27], А: 152


I ′л = 3 R

2 ут

, 1 + 2 9ωс Cиз2 ф

(3.44)

где U л - эффективное значение линейного напряжения сети, В; ωс круговая частота напряжения сети, рад/с; За указанный временнóй интервал через сопротивление тела человека проходит количество электричества, определяемое выражением (рис. 3.23), А·с: Q1 = I ′л (t2 − t1) = I ′л ⋅ Δt зв , (3.45) где Δt зо = t2 − t1 - продолжительность выявления аппаратом защиты опасного состояния и отключения сети, с. Экспоненциально снижающаяся ЭДС вращения от момента t2 до момента t4 ≈ t2 + 4T (уменьшение ЭДС вращения до 3% от начального значения) обусловливает протекание через сопротивление тела человека соответствующей составляющей тока утечки [35]:

I л 2 t ≥t = I ′лe

t −t 2 T

.

2

(3.46)

Количество электричества через сопротивление тела человека за временнóй промежуток ( t2 , t4 ) равняется интегралу, А·с: t4

Q2 = ∫ I л 2dt ,

(3.47)

t2

Вычисляя его, получаем: t 2 −t 4 ⎛ ⎜ Q2 = I ′л ⋅ T ⋅ ⎜1 − e T ⎜ ⎝

⎞ ⎟ ⎟⎟ . ⎠

(3.48)

t 2 −t 4 1− e T

Учитывая, что t4 − t2 ≈ 4T , выражение составляет 0,982 ≈ 1, тогда Q2 = I ′л ⋅ T . Общее количество электричества через сопротивление человека за время ( t1 - t4 ) составляет, А·с: Q = Q1 + Q2 = I ′л ⋅ ( Δt зо + T ) =

U л ⋅ ( Δt зо + T )

3 R

153

2 ут

. 1 + 2 9ωс Cиз2 ф

(3.49)


Последнее выражение позволяет вычислить общее количество I ′л электричества через сопротивление тела человека при условии t −t 2 продолжительного включенного − I ′л ⋅ e T состояния коммутационных аппаратов присоединений. Анализ Q1 Q2 данного выражения свидетельствует, что постоянная времени заt4 t тухания обратной ЭДС двигателей t1 t2 влияет на величину количества Δt 4Т электричества в той же степени, Δtзозв Рисунок 3.23 – Диаграмма изменения что и время защитного отключения сети. Продолжительность заэффективного значения тока утечки на землю в ЭТК при сохранении щитного отключения сети при включенного состояния коммутаци- возникновении утечки Rут=1 кОм онных аппаратов присоединений в не должна превышать для сетей течение аварийного процесса U л =380 В и U л =660 В – величины Δt зо =0,1 с; для сетей U л =1140 В - величины Δt зо =0,07 с [55]. Подставляя эти значения в (3.49), имеем: Iл

Q 380 B =

Q 660 B =

Q 1140 B =

380Т + 38

, А·с; 1 3 ⋅10 + 2,9 ⋅ 105 Сиз2 ф

(3.50)

6

660Т + 66

, А·с; 1 3 ⋅ 10 + 2,9 ⋅ 105 Сиз2 ф

(3.51)

6

1140Т + 79,8 3 ⋅ 10 6 +

, А·с. 1 2,9 ⋅ 10 5 С из2 ф

154

(3.52)


Cиз ф

Cиз ф

Cиз ф

Рисунок 3.24 – Зависимость общего количества электричества через сопротивление тела человека (1 кОм) от ёмкости изоляции фазы сети и постоянной времени обратной ЭДС двигателей при возникновении утечки тока на землю в ЭТК при условии сохранения включенного состояния коммутационных аппаратов присоединений в течение аварийной ситуации: α – номинальное линейное напряжение сети 380В; б – 660 В; в – 1140 В

Из (3.50)-(3.52) следует, что общее количество электричества через сопротивление тела человека за время аварийного процесса, при фиксации сопротивлении цепи утечки и продолжительности защитного отключения сети на обусловленных стандартом уровнях, зависит от 2-х параметров. Зависимость величины Q от постоянной времени T - линейная, а от ёмкости изоляции сети – нелинейная. На рис. 3.24 представлены построенные по приведенным зависимостям диаграммы, иллюстрирующие зависимость общего количества электричества от ёмкости изоляции сети при разных уровнях постоянной времени затухания ЭДС вращения. Кривые, соответствующие T=0, 155


характеризуют состояние системы при условии подавления ЭДС вращения двигателей после защитного отключения сети. U Uн

Iл I ′л

1 e

t −t 2 T′

I ′л ⋅ e

I ′л′

t2

t3

ΔΔttзо зв

t −t 2 T ′′

Q2

б) t1=0

Q3

Q1

t

t −t 2 T′

I ′л′ ⋅ e

a

а)

t2

t4 t

t3

4Т ′

Рисунок 3.25 – Диаграммы процесса утечки тока на землю в ЭТК при одновременном самопроизвольном отключении КА всех присоединений при снижении относительного значения ЭДС вращения до уровня a : а – относительное значение напряжения на катушках коммутационных аппаратов; б – эффективное значение тока утечки на землю

Для всех уровней напряжения (380 В, 660 В, 1140 В) при Сиз ф= =0,1÷3 мкФ/фазу указанные кривые - ниже предельного уровня количества электричества через сопротивление тела человека Qдоп = 50 mА·с. Это доказывает эффективность принудительного подавления обратной ЭДС. Изменение конфигурации системы из-за самопроизвольного отключения коммутационного аппарата аварийного присоединения во время выбега АД до этого времени учитывается продолжительностью включенного состояния данного КА. Этот параметр считается неизменным для КА конкретного типа. Однако различные уровни нагрузки АД, или разное количество АД, одновременно находящихся в состоянии выбега, изменяют параметры затухания обратной ЭДС. Этим изменяется продолжительность включенного состояния КА ЭТК после отключения сети. Корректной характеристикой состояния КА при выбеге АД является относительное значение наt3 − Δt зо ⎞ ⎟ = a , (где T′ ⎠ ⎝

⎛ пряжения самопроизвольного отключения "α": exp⎜ −

t 2 = Δt зо - момент защитного отключения напряжения со стороны 156


КТП; t3 - момент одновременного произвольного отключения КА всех присоединений при достижении ЭДС АД величины "α". Момент t3 выражается как функция продолжительности защитного отключения сети Δt зо , постоянной времени затухания ЭДС АД T ′ и параметра "α": t3 = Δt зо − T ′ ln a . От момента t1 =0 до момента t2, т.е., t 2 − t1 = Δt зо , ток утечки I ′л на землю и количество электричества Q1 , в цепи утечки, определяются зависимостями (3.44) и (3.45). От момента t2 до момента t3 одновременного самопроизвольного отключения КА присоединений количество электричества через сопротивление утечки составляет (рис. 3.25, б): t3

Q2 = ∫ I ′лe

t −t 2 T ′ dt

t2

.

(3.53)

Учитывая, что момент t3 определяется зависимостью (3.13) и величина t2 равняется Δt зо , вычисление последнего интервала позволяет установить количество электричества, А·с: Q2 = I ′лT ′(1 − a ) . После момента t3 до окончания аварийного процесса (t4) ток утечки определяется параметрами кабеля аварийного присоединения и постоянной времени Т ′′ обратной ЭДС АД присоединения с утечкой. Соответствующее количество электричества: t4

Q3 = ∫ I ′л′e

t3

где

I л′′ =

t −t 2 T ′′ dt

,

(3.54)

Uл 3 Rв2 +

- ток утечки на землю (А), обуслов1 9ω 2 C из2 ф ав

ленный ёмкостью изоляции С из ф ав кабеля присоединения с утечкой тока на землю. Таким образом, влияние ЭДС АД аварийного присоединения проявляется в увеличении количества электричества через сопротивление утечки на землю.

157


РАЗДЕЛ 4 АВТОМАТИЧЕСКОЕ ДВУСТОРОННЕЕ ОБЕСТОЧИВАНИЕ ШАХТНОГО УЧАСТКОВОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА КАК НАПРАВЛЕНИЕ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕГО ЗАЩИТЫ ОТ АВАРИЙНЫХ И ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ 4.1 Обратная ЭДС асинхронного двигателя как фактор воздействия на место междуфазной повышенной проводимости после защитного отключения сети

Обобщённое рассмотрение функции воздействия обратной ЭДС асинхронного двигателя предусматривает её определение относительно цепей появления аварийных состояний сети, таких, как междуфазные короткие замыкания и междуфазные дугообразования, что иллюстрируется рис. 4.1, где обозначены: R1 – сопротивление междуфазного дугообразования; R2 - сопротивление утечки тока на землю; - цепь короткого замыкания между фазами или между фазой и "землёй". uф

Zтр

SA

КМ1

ГК1

Zгк1.1

Zгк1.2

М1

TV

K2

Rіз ф 1.1 Rизф1.1 Сіз ф 1.1 Сизф1.1

R2

K1 R1

Rизф1.2 Rіз ф 1.2 Сизф1.2 Сіз ф 1.2

РУНН РПННКТП КТП КМn

ГКn

Zгк n

Мn

СізСизфn фn

Rіз ф n Rизфn

Рисунок 4.1 - Обобщённая схема шахтного участкового электротехнического комплекса с выделением цепей вероятных опасных состояний в силовом присоединении асинхронного двигателя

158


В структурной форме схема шахтного участкового электротехнического комплекса, включающая присоединения, нагруженные асинхронными двигателями, приведена на рис. 4.2 и согласуется с теоретическими принципами исследования, обоснованными в разделе 3, в частности, с формализацией математической модели объекта. I1α

U2α1

КМ1

U2β1

Usα1 ГК1

Usβ1

M1 М1

N1 IΣα

I1β U2αn

U1α1 U1β1

КМn

U2βn

Usαn ГКn

Usβn

Inα Мn

Mn Nn

Inβ Uα1 SA

Uβ1

IΣβ

КТП

Рисунок 4.2 – Обобщённая структурная схема модели шахтного участкового электротехнического комплекса с распределёнными присоединениями n асинхронных двигателей потребителей

При рассмотрении состояний коротких замыканий должны учитываться следующие особенности: - в случае возникновения трёхфазного короткого замыкания напряжение в месте повреждения кабеля равно нулю ( u2α = 0; u2 β = 0 ), статор становится короткозамкнутым, и его потокосцепление в первый момент остаётся неизменным, что приводит к возникновению кратковременной бестоковой паузы на участке между точкой повреждения кабеля и АД; - наиболее существенное различие между трёхфазным и двухфазным коротким замыканием состоит в том, что двигатель при двухфазном к.з. остаётся соединённым с питающей сетью через непо159


вреждённую фазу, и установившийся ток в обмотках статора не равен нулю. Фаза "А" присоединения обесточена ( i1α = 0; i1 = ji1β ), а напряжение между фазами "В" и "С" отсутствует: u2 β = 0; ub = uc ; u2 = u2α . Специфическим видом аварийного состояния силового присоединения шахтного участкового электротехнического комплекса является междуфазное дугообразование (дуговое замыкание). Одной из причин такого состояния является ухудшение состояния резиновой изоляции (внутренних) силовых жил кабеля оголённой заземляющей жилой при внешнем сильном сжатии, что имеет место в сложных условиях эксплуатации шахтной кабельной сети [76]. Опасность процесса состоит в том, что сопротивление электрической дуги не равно нулю и, как правило, соразмерно активному сопротивлению нагрузки (асинхронного двигателя потребителя). Процесс дугового замыкания не может быть выявлен средствами максимальной токовой защиты пускателей (или аналогичных коммутационных аппаратов), хотя дугообразования носят все признаки опасности открытого воспламенения в условиях шахты. Максимум, что возможно в данном случае, - это защитное отключение сети по команде аппарата защиты от утечек тока на землю в случае, если вследствие дугового замыкания имело место создание цепи между фазой сети и землёй. В ином случае, функция защитного отключения силовой цепи с участком междуфазного дугообразования требует применения специального защитного устройства. Как вариант, это может быть максимальная токовая защита с изменяемой уставкой, величина которой уменьшается после окончания пуска асинхронного двигателя соответствующего присоединения [109; 110]. Однако, учитывая опасность междуфазного дугообразования в условиях эксплуатации электротехнического комплекса шахтного участка, актуальным представляется исследование процессов, которыми сопровождается это опасное состояние в контексте целесообразности применения средств отделения от сети обратного энергетического потока асинхронного двигателя аварийного присоединения. На расчётной схеме (рис. 4.1) имитация междуфазного дугообразования выполняется подключением активного сопротивления R1 между двумя фазами сети питания асинхронного двигателя контактом К1. Учитывая соразмерность сопротивления дуги и активного 160


сопротивления АД средней мощности, введём допущение, что сопротивление дуги находится в пределах 0,5 Ом<Rэд<2 Ом. В работе 1 АД аварийного присоединения. Остальные АД не работают

Защитное отключение сети не состоялось

Защитное отключение сети состоялось через 0,1 с

Отделение от сети обратного энергетического потока АД

Не состоялось (состояние №1)

В работе все АД потребителей участка

В сети действует обобщенный обратный энергетический поток от совокупности АД потребителей

Состоялось через tc) после начала междуфазного дугообразования

Отделение от сети обратного энергетического потока АД аварийного присоединения

Защитное отключение сети состоялось через 0,1 с

Отделение от сети обратного энергетического потока АД

Не состоялось (состояние №2)

Состоялось через tc (после начала междуфазного состояние №3)

Не состоялось (состояние №4)

Состоялось через tc (после начала междуфазного состояние №5)

Рисунок 4.3 – Вероятные состояния электротехнического комплекса, подлежащие исследованию

Таким образом, предметом исследования принимаются параметры тока в сети питания двигателя, на интервале его пуска, работы при номинальной нагрузке, в момент возникновения и в последующее время существования междуфазного дугообразования. В упомянутых координатах времени (t) представлены токи трёх фаз в сети между участковой подстанцией и звеном дугообразования, между АД и звеном дугообразования, а также в самом звене дугообразования. При этом, учитываются состояния электротехнического комплекса, приведенные на рис. 4.3. Результаты исследования в виде диаграмм тока (рис. 4.4 и 4.5) свидетельствуют о целесообразности применения 161


средств принудительного отделения от сети энергетического потока АД аварийного присоединения в случае возникновения междуфазного дугообразования в сети электропитания.

а

б

в

Рисунок 4.4 – Диаграммы тока в аварийной точке при возникновении дугообразования в кабеле питания АД (состояния: а - №1; б - №2; в - №3)

Свойство асинхронных двигателей создавать обратные энергетические потоки в состоянии выбега после отключения напряжения питания позволяет сделать вывод о недостаточности защитной функции, которая создаётся при отключении энергетического потока комплектной трансформаторной подстанции в случае возникновения аварийного или опасного состояния участкового электротехнического комплекса. Опыт предшествующих исследований указывает на рациональность обесточивания повреждённого силового присоединения как со стороны участковой КТП, так и со стороны асинхронного двигателя потребителя. Доказаны: 162


- неприемлемость подчинения средства отделения от сети обратной ЭДС АД функции срабатывания защиты со стороны КТП; - высокая вероятность потери работоспособности функции двустороннего защитного обесточивания силового присоединения в случае передачи команды от защитного устройства со стороны КТП на отделение от сети обратной ЭДС АД по кабелю защищаемого силового присоединения.

а)

б)

Рисунок 4.5 - Диаграммы тока в аварийной точке при возникновении дугообразования в кабеле электропитания АД при работе всех потребителей участка: а - состояние № 4; б - состояние № 5

Функция отделения от сети обратной ЭДС АД должна выполняться по команде расположенного на вводе АД автономного средства определения аварийного (опасного) состояния кабеля питания АД одновременно со срабатыванием защитного устройства со стороны КТП. С этой целью актуален поиск информационного сигнала для идентификации аварийного (опасного) состояния кабеля питания АД техническими средствами автономного устройства защиты. 4.2 Анализ процессов в электромеханической системе "силовое присоединение – асинхронный двигатель" в контексте поиска информационного сигнала о начале опасного состояния

Рассматривая короткое замыкание как аварийное состояние электротехнической системы "силовое присоединение – асинхронный 163


двигатель", следует учитывать вероятность следующих его состояний: - короткое замыкание – трёхфазное и возникает мгновенно между всеми тремя фазами кабеля электропитания АД; - короткое замыкание – трёхфазное и возникает сначала между двумя фазами гибкого кабеля электропитания АД с последующим замыканием через время Δt1 третьей фазы с предыдущими двумя; - двухфазное замыкание в гибком кабеле электропитания АД. Следует ожидать, что в момент возникновения трёхфазного короткого замыкания будет прекращаться ток от питающей трансформаторной подстанции до цепи статора двигателя, после чего двигатель, как электрогенерирующая машина, начнёт подпитку точки замыкания своим обратным энергетическим потоком. Анализ параметров тока статора АД (рис. 4.6) позволяет сделать вывод, что реакцией АД на возникновение трёхфазного короткого замыкания в кабеле электропитания является формирование тока высокой амплитуды (токоограничивающие факторы – собственные сопротивления АД и кабеля между АД и точкой к.з.), который в дальнейшем уменьшается экспоненциально до нуля. Характерной особенностью процесса является то, что в его начале (в момент t2 возникновения к.з.) имеет место кратковременное (интервал, определяемый площадью "А" на рис. 4.6) уменьшение статорного тока [111; 112]. Это является следствием переходного процесса, обусловленного изменением направления энергетического потока в сети статора АД, что обусловлено преобразованием двигателя из объекта энергопотребления (от питающей участковой трансформаторной подстанции) в объект генерирования обратного энергетического потока, что сопровождается появлением тока в точке возникновения к.з. в кабеле питания. Поэтому, типовым явлением, характеризующим процесс возникновения междуфазного к.з. в кабеле электропитания АД можно считать кратковременное уменьшение статорного тока с последующим интенсивным его увеличением. Выявление указанного эффекта может быть осуществлено фиксированием моментов двойного прохождения током статора величины уставки срабатывания Іу (в момент времени t1 при уменьшении и в момент времени t2 при последующем увеличении, рис. 4.7). Учитывая скоростные показатели изменения тока, трёхфазному короткому замыканию в кабеле питания АД должно соответствовать состояние, когда момент t2 будет находиться в интервале Δt импульса фиксиро164


ванной ограниченной продолжительности, сформированного в момент времени t1 [113].

Рисунок 4.6 – 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)

Исследование закономерностей изменения указанного параметра в условиях применения АД конкретного типажного ряда мощностей в зависимости от сечений и длин их питающих гибких кабелей до места к.з. (рис. 4.8) позволило установить что: амплитуда кратковременного интенсивного уменьшения статорного тока изменяется в пределах 0,25÷0,7 от номинального тока нагрузки; продолжительность tp этого уменьшения находится в пределах 0,5÷0,7 мс. С увеличением мощности асинхронного двигателя потребителя амплитуда тока i1m увеличивается, а продолжительность tp – уменьшается. Однако, крайне малые амплитудный и временнóй диапазоны интервала уменьшения статорного тока с учётом его нестабильности в процессе работы двигателя обусловливают нецелесообразность использования указанного эффекта для формирования информационного сигнала о возникновении к.з. в кабеле питания АД из-за высокой вероятности ошибки. Кроме этого, следует иметь в виду, что данный процесс характерен исключительно для возникновения трёхфазного короткого замыкания в кабеле питания и не сопровождает возникновение двухфазного к.з.

165


Продолжительность Δt

Рисунок 4.7 – Диаграммы параметров устройства реагирования на эффект кратковременного снижения тока

а) б) Рисунок 4.8 – Действующее значение тока статора в момент возникновения трёхфазного к.з.: а - при изменении длины кабеля (S=70мм2); б - при изменении мощности АД (к.з. на зажимах двигателя)

166


Это объясняется наличием неполнофазной гальванической связи с сетью питания асинхронного двигателя во время между возникновением аварийного состояния и моментом дальнейшего отключения сети со стороны питающей участковый трансформаторной подстанции. В то же время, конструкция шахтного кабеля (распределения силовых жил) усложняет возможность возникновения внезапного, мгновенного замыкания всех трёх фаз. Таким образом, среди режимов короткого замыкания в кабеле электропитания АД начальным аварийным является состояние двухфазного к.з. Это состояние сопровождается повышением тока в статоре АД, но параметры тока не содержат таких составляющих, которые на начальном этапе аварийного процесса существенно отличались бы от параметров повышения статорного тока под влиянием других факторов. Следовательно, идея использования тока статора АД как исходного параметра для формирования информационного сигнала о коротком замыкании в кабеле питания должна быть отклонена. Известно, что в процессе выбега асинхронного двигателя после защитного отключения сети групповым автоматическим выключателем (по сигналу от устройств максимальной токовой защиты или аппарата защиты от утечек тока на землю) вектор напряжения на сборных шинах определяется, кроме параметров схем замещения АД, частотами вращения роторов. Таким образом, факт нахождения двигателя в режиме выбега может быть установлен путём определения уменьшения частоты напряжения на его зажимах. Решение поставU1 ленной задачи поиска t,c информационного сигнала о возникновении аваU2 рийного состояния в каt,c беле питания асинхронU U3, U4 U ного двигателя может t,c U5 быть выполнено на основании использования t,c f=50Гц f=49Гц функции "реле частоты". Рисунок 4.9 – Диаграмма параметров устройст- На рис. 4.9 приведены ва выявления уменьшения частоты импульсов диаграммы напряжений соответствующего устройства выявления факта уменьшения частоты входного сигнала U1. Принцип его работы состоит в сравнении ам4

3

167


плитуды пилообразного напряжения U3, сформированного, в течение полуволны отрицательной полярности входного сигнала с амплитудой пилообразного напряжения, сформированного на интервале существования периода сигнала U1, уменьшенного в 2 раза (импульсы U4) [114]. При условии, когда частота входного периодического сигнала уменьшается (момент времени τ1), продолжительность полуволны отрицательной полярности сигнала U1 становится бóльшей половины его периода, что привóдит к превышению в момент τ2 импульсом U3 величины импульса U4 и формированию соответствующего сигнала U5. Однако, работа устройства управления отключением (от сети) обратного энергетического потока АД при возникновении короткого замыкания при условии использования функции "реле частоты" будет сопровождаться некоторой задержкой времени, определяемой продолжительностью срабатывания средств защиты со стороны питающей трансформаторной подстанции и дальнейшего отключения напряжения сети. Т.е., реагирование устройства будет не на факт возникновения аварийного режима, а на состояние свободного выбега асинхронного двигателя. В этом случае уменьшение частоты на вводе статора является крайне незначительным и применительно к величинам номинальных скольжений АД 9,33<s<11,33, (что характерно для большинства двигателей рудничных машин и установок) будет находиться в диапазоне 49,533<f<49,333 Гц. Реализация способа выявления перехода АД в режим выбега на основе эффекта "реле частоты" требует применения высокоточных средств определения частотного параметра и не исключает вероятности возникновения ошибки в выявлении факта скачкообразного уменьшения частоты напряжения в сети питания АД, что является неприемлемым. Поэтому практическую актуальность приобретает задача упрощения технической реализации подавления (отделения от сети) обратных энергетических потоков асинхронного двигателя при возникновении повреждения в кабеле электропитания. 4.3 Принципы определения состояния кабеля питания асинхронного двигателя автономными техническими средствами схемы присоединения обмотки статора

Выявление опасного состояния кабеля электропитания АД при условии применения автономно действующих технических средств 168


защиты в схеме присоединения обмотки статора должно учитывать определённые особенности устройства шахтного участкового ЭТК: - обязательное обеспечение режима изолированной нейтрали трансформатора в процессе эксплуатации участковой электросети; - обязательность заземления заземляющей жилы кабеля и заземления через неё металлического корпуса электродвигателя потребителя (подключенного к этому кабелю); - обязательное применение устройства защиты от утечек тока на землю в схеме со стороны КТП и недопустимость воздействия на параметры постоянного оперативного тока этого устройства; - обязательность применения гибких кабелей с экранированными силовыми жилами, конструкция которых предусматривает наличие электрического контакта (связи) между экранами силовых жил с заземляющей жилой. С учётом этого аварийное (опасное) состояние кабеля (междуфазные к.з., дугообразование; возникновение цепи утечки тока на землю) сопровождается наличием цепи повышенной проводимости между силовой жилой кабеля и контуром "земля" через экран и заземленную заземляющую жилу. В этом случае момент возникновения аварийного состояния кабеля питания АД может бать выявлен путём кратковременного создания цепи повышенной проводимости между фазой и землёй как условия формирования управляющего сигнала на защитное отключение от сети обратного энергетического потока асинхронного двигателя (в случае возникновения аварийного состояния сети) [115; 116]. Здесь информационным сигналом о возникновении одно – или двухфазного к.з. на землю при условии наличия информационной связи между статорной обмоткой и заземленным корпусом АД потребителя аварийного присоединения может быть ток в заземляющей жиле кабеля электропитания. Техническое противоречие между обязательностью гальванического отделения цепи статора АД от заземлённого корпуса двигателя и необходимостью создания упомянутого информационного канала решается путём использования цепи из соединённых встречнопоследовательно стабилитрона VD1 и диода VD2 с последовательным подключением токоограничивающего резистора R между цепью статора АД и его заземлённым корпусом 1 (рис. 4.10) [117; 118]. В этом случае срабатывание блока защитного отключения (БЗО), например, как команда на разъединение трёхфазной схемы статора коммутационным устройством SF, - будет происходить при наличии тока в цепи 169


контура заземления 2. Предложенное техническое решение обеспечивает отключение (от места повреждения кабеля, питающего АД) энергетического потока со стороны АД одновременно с отключением напряжения автоматическим выключателем питающей комплектной трансформаторной подстанции. Такое отключение при условии реакции защиты на повреждение изоляции одной фазы кабеля является опережающим относительно дальнейшего развития междуфазного короткого замыкания. Схема присоединения диода VD2 и стабилитрона VD1 исключает воздействие устройства на работу участкового аппарата защиты от утечек тока на землю, поскольку препятствует протеканию постоянного оперативного тока этого аппарата через землю на статор двигателя. Эта схема присоединения отделяет статор АД от его заземлённого корпуса, что соответствует принципу изоляции статора двигателя от элементов заземления сети в рабочем режиме эксплуатации. UA

Zтр

Zs

SA

SF VD1

UB UC

R

РУНН РПННКТП КТП

АЗ

VD2

БЗО БЗВ

1

2 Рисунок 4.10 - Структурная схема устройства двустороннего обесточивания места к.з. в кабеле электропитания АД: 1 – корпус АД; 2 – заземляющая жила кабеля

С учётом схемотехники устройства определения технического состояния кабеля питания АД и защитного отделения от сети обратного энергетического потока схема (рис. 4.1) корректируется (рис. 4.11). Схема замещения силового присоединения с цепью утечки тока на землю также примет вид в соответствии с рис. 4.12. Совокупность элементов ЭТК участка, имеющих электрическую связь с аварийной точкой, представлена в виде трёхфазного симметричного источника 170


напряжения, к которому присоединена модель изоляции кабельной сети, сопротивление цепи утечки и измерительная цепь устройства отключения энергетического потока АД. Источником напряжения до момента отключения сети является участковая КТП, а после этого момента - ЭДС выбега двигателей потребителей ЭТК (с учётом существования уравнительных токов). Применительно к схеме замещения (рис. 4.12 б) процессы в системе описываются уравнениями: 1 ⎧ = i i2 dt 1 ⎪ Rіз Cіз ∫ ⎪ 1 ⎪ ⎪i2 = (uф − Rіз i1 ) − i1 − i3 Rв ⎨ ⎪ (4.1) 1 ⎪i3 = i dt 2 Cіз ( Rд ) ∫ ⎪ ⎪i = i + i + i ⎩в 1 2 3 uф

Zтр

SA

КМ1

Zгк1.1

ГК1

Rs

Lsl

Lrl

-eвр

Rr

SF

VD1 TV

R

K

Rіз ф 1.1 Сизф1.1 Rизф1.1 Сіз ф 1.1

Lm М1

РПНН КТП РУНН КТП

КМn

Zгк n

VD2

Rв БЗВ

ГКn ПЗ Мn

Сизфn Сіз ф n

Rизфn Rіз ф n

Рисунок 4.11 - Схема шахтного участкового ЭТК с учётом измерительной цепи устройства защитного отделения от сети обратного энергетического потока АД

Расчётные диаграммы тока (рис. 4.13) в измерительной цепи блока защитного отключения (рис. 4.10) позволяют сделать вывод о принципиальной возможности создания работоспособного автономно действующего устройства определения состояния кабеля питания АД, действующего со стороны схемы статора. Анализ диаграмм (рис. 4.14) подтверждает способность функции принудительного отключе171


ния обратного энергетического потока АД ограничивать количество электричества в аварийной цепи питающего кабеля. Rизф R із ф СCіз ф

RRизф

i1

изф

із ф

UB i2

VD1

СCізизф ф

RRизф із ф

RутR

UA

UC

i31

iутiв

R

R вут

R Rизф із

СCізизф R д1

VD2

С із ф

Cизф

в

i 3n

a)

R дn

б)

Рисунок 4.12 - Схема замещения системы (а) и эквивалентная схема замещения (б) цепи однофазной утечки тока на землю с учётом измерительной цепи устройства отделения от сети энергетического потока АД

а)

б)

Рисунок. 4.13 - Диаграммы тока в измерительной цепи устройства защитного отделения от сети обратного энергетического потока асинхронного двигателя: а - Rут = 1кОм; б - Rут= 30 кОм; (отключение сети через 0,1 с)

172


Напряжение сети 660 В

а) Напряжение сети 660 В

б) Напряжение сети 1140 В

в) Рисунок 4.14 – Диаграммы, характеризующие ток утечки на землю и количество электричества через сопротивление утечки тока на землю а) при отсутствии устранения обратных ЭДС АД; б) при устранении обратных ЭДС всех АД участка; устройство компенсации ёмкостной составляющей тока утечки на землю отсутствует в) при наличии принудительного отделения от сети энергетических потоков АД всех потребителей через 0,06 с. Параметры силовых присоединений: потребитель № 1 – АД типа ЭКВК4-220; кабель КГЭШ 3х70; l = 250 м; потребитель № 2 – АД типа ЭДКОФВ315М4; кабель КГЭШ 3х50; l = 200 м; потребитель № 3 – АД типа АИУМ225М4; кабель КГЭШ 3х35; l = 50 м 173


Однако, предложенное техническое решение является исключительно концептуальным, поскольку подключение дополнительных измерительных цепей проводимости к общей точке статоров двигателей участка создаёт условия для потенциального увеличения тока утечки и накопления количества электричества через сопротивление утечки Rут. Кроме этого, предложенная схема работоспособна исключительно в случае соединения обмоток статора в "звезду". С целью устранения этого функционального ограничения устройство для автономного выявления повреждения кабеля питания асинхронного двигателя и отделения от сети его обратного энергетического потока может быть усовершенствовано созданием искусственной "звезды" резисторов одинакового сопротивления, подключенных ко входу статора АД с дальнейшим присоединением полупроводниковой цепи с измерительным устройством между общей точкой этой "звезды" и заземлённым корпусом асинхронного двигателя (рис. 4.15) [118]. UA

Zтр

SA

SF

Zs

UB UC R1 R2 R3 Статор АД

РУНН РПННКТП КТП

АЗ

БЗВ БЗО

3 1

VD1 VD2

2 Рисунок 4.15 – Структурная схема устройства отделения от сети обратного энергетического потока асинхронного двигателя в составе ЭТК шахтного участка: 1 – корпус АД; 2 – заземляющая жила кабеля; 3 – цепь повышенной проводимости между фазой кабеля и землёй (как признак аварийного состояния сети) [118]

В этом случае присоединение силовых контактов дополнительного коммутационного аппарата SF непосредственно со стороны силового ввода статора создаёт возможность не только выполнить функцию отделения от сети обратных энергетических потоков АД не174


зависимо от конфигурации трёхфазной схемы его статора, но и ограничить продолжительность подключения "звезды" дополнительных резисторов R1-R3 защитного устройства между фазами сети и землёй промежутком времени Δt между возникновением повреждения в кабеле питания и отсоединением статора двигателя от сети вследствие срабатывания коммутационного аппарата SF. iут, А

iут, А

Рисунок 4.16 – Диаграммы, характеризующие ток утечки iут и количество электричества q через сопротивление утечки в ЭТК при наличии устройств отделения от сети обратного энергетического потока АД в каждом присоединении: а - напряжение 660 В; б - напряжение 1140 В; устройство компенсации ёмкостной составляющей тока утечки отсутствует

Однако, состояние проводимости измерительной цепи с дополнительными резисторами R1 – R3 будет создавать в течение интервала времени Δt увеличение тока в цепи с Rут, а учитывая, что на однофазную утечку тока на землю будут реагировать устройства отделения от сети обратного энергетического потока каждого из n двигателей участка, следует принять во внимание, что обобщённая проводимость цепи, созданной параллельным присоединением резисторов R1 – R3 всех n защитных устройств будет увеличена в n раз (рис.4.16). Поскольку параметры надёжности любого технического средства не 175


являются бесконечными, следует предусмотреть, что в случае отказа исполнительного коммутационного аппарата SF хотя бы одного силового присоединения, проводящее состояние соответствующей цепи определения оперативного параметра (с резисторами R1-R3) будет сохраняться в течение всего времени существования обратного энергетического потока асинхронного двигателя после защитного отключения сети со стороны КТП. Эти обстоятельства обусловливают целесообразность применения резисторов R1-R3 с увеличенными значениями сопротивлений. Однако повышение сопротивления каждого из них даже до 100 кОм обусловит величину тока через измерительную цепь на уровне, который незначительно превышает 3,88 мА (в сети 660 В при Rут=1 кОм), что уже не согласуется с величинами минимальных токов стабилизации известных типов стабилитронов. Итак, следует учитывать вероятность несрабатывания устройства отделения от сети обратного энергетического потока асинхронного двигателя. Решением этого технического противоречия может быть изменение конфигурации схемы узла определения оперативного параметра (УОП) в соответствии с рис. 4.17а, где участок из конденсаторов С1-С2 и диода VD1: поддерживает режим изолированной нейтрали сети при отсутствии однофазной утечки тока на землю, препятствует протеканию постоянного тока, включая оперативный ток аппарата защиты от утечек тока на землю (т.е., не влияет на его защитные параметры); в момент t1 возникновения однофазной утечки на землю (через сопротивление Rут) формирует импульс напряжения U1 ограниченной продолжительности на резисторе R4, достаточный для приведения в действие реагирующего органа устройства отделения от сети обратного энергетического потока асинхронного двигателя (рис. 4.17,б) [119-121]. Возврат схемы к первоначальному состоянию производится шунтированием конденсатора С1 резистором R5. Несмотря на ограниченность продолжительности проводящего состояния УОП, воздействие средств защитного отделения от сети ЭДС вращения АД на величину количества электричества в цепи повышенной проводимости Rут требует выполнения исследований (с учётом типовой комплектации шахтного добычного участка, параметров соответствующих типов АД, кабелей, длины и сечения которых согласованы с размещением и мощностями потребителей). Относительно реализации функции защиты от утечек тока на землю должны быть рассмотрены 176


177

ZТР

АЗ

L

ZМК

SA2

ZИЗ 2

ZГК1

СИЗ

ZГК2

K1

KM1

ZИЗ

RИЗ

Rут

20 –

40 –

60 –

U1, В

ZИЗ 3

а)

R5

С1 С2

VD1

R4

б) Рисунок 4.17 – Схема подключения устройства отделения от сети обратной ЭДС АД в схеме ЕТК шахтного участка(а) и осциллограмма напряжения на R4 (б) в момент появления утечки Rут= 1 кОм (напряжение 660 В)

ZТР ; ZМК ; ZГК ; ZАД

R

ZИЗ 1

SF1.4 R1 R2 R3

ZАД евр

~

~

~

SF1.1 - SF1.3

~

КТП

K1

~

~

SA1

t


свойства соответствующих исполнительных устройств в зависимости от типа применяемого аппарата защитного отключения. При условии применения короткозамыкателей повреждённой фазы (БКЗ в АЗ типов РУ-1140 и АЗУР-4) учитывается продолжительность обесточивания цепи Rут утечки тока на землю на интервале времени замкнутого состояния соответствующего контакта короткозамыкателя БКЗ от момента t2’’ его срабатывания по команде БЗО (спустя 0,17 с [18]) до момента t2’ разъединения силовой контактной группы группового автоматического выключателя SA2 распределительного пункта участка; или контактора КМ1 пускателя аварийного присоединения (в случае, если его срабатывание будет опережающим относительно отключения силовой контактной группы SA2). Опасность увеличения тока через сопротивление утечки при наличии функции шунтирования цепи утечки тока на землю не является критичной, поскольку некоторое увеличение тока в этой цепи и количества электричества, обусловленных проводимостями дополнительных активных сопротивлений, будет иметь место до момента включения контакта короткозамыкателя (0,17 с). Это подтверждается исследованиями расчётной схемы, в которой скорректированная схема замещения цепи однофазной утечки на землю учитывает схему узла определения оперативного параметра и устройство компенсации ёмкостной составляющей тока утечки (рис. 4.18) [121]. В соответствии с приведенной эквивалентной схемой замещения (рис. 4.18, б) уравнения, описывающие процессы в системе, представлены зависимостями (4.2). RRізизф ф

UA R1

RRизф із ф

UB R2

RRізизф ф

UC Сд

R3

ССіз ф

изф

С із ф

Сизф

RRут в

Rиз

iiвут R із uф

Сиз С із

i1

L др

i2

R д1

i3 С д1

R дn

i41

i 4n С дn

С із ф

R в Сизф

VD1

a)

б)

Rут

Рисунок 4.18 - Схема замещения системы (а) и эквивалентная схема замещения (б) цепи однофазной утечки тока сна землю с учётом цепи определения оперативного параметра (ЦОП) и устройства компенса178 ции ёмкостной составляющей тока утечки


Алгоритм моделирования предусматривает: последовательный пуск всех двигателей (в сети) с выходом каждого АД на устойчивую характеристику (механическая нагрузка принимается на уровне 10%); возникновение утечки тока на землю в первом силовом присоединении в момент времени t1; отключение АВ по команде АЗ в момент времени t2 (рис. 4.19). iут ,А

iут ,А

Рисунок 4.19 - Диаграммы тока утечки iут и количество электричества q через сопротивление утечки в ЭТК напряжением 660 В при наличии автокомпенсации ёмкостной составляющей тока утечки (АРУЗ-1): а - без учёта ЦОП в каждом присоединении; б - с учётом ЦОП в каждом присоединении

Анализ диаграмм тока утечки на землю iут и накопления количества электричества q через сопротивление цепи утечки в ЭТК участка шахты при наличии устройств отделения обратного энергетического потока АД в каждом присоединении свидетельствует о возможности поддержания уровня количества электричества через человека в электросети 660 В и 1140 В пределах нормируемой величины в соответствии с требованиями электробезопасности (рис. 4.19 и 4.20).

179


1 ⎧ ⎪i1 = R C ∫ i2 dt из из ⎪ 1 ⎪ ⎪i2 = R (uф − Rизi1 ) − i1 − i3 − i4 ут ⎪ ⎪i = i dt ⎪3 ∫ п ⎨ ⎪i = 1 i dt ⎪ п LдрСиз ∫ 2 ⎪ ⎪ ⎞ 1 ⎛ 1 ⎪i4 = R ⎜⎜ Lдрiп − С ∫ i4 dt ⎟⎟ д ⎝ из ⎠ ⎪ ⎪⎩iв = i1 + i2 + i3 + i4

(4.2)

iут, А

iут, А

Рисунок 4.20 – Диаграммы тока утечки iут и количество электричества q через сопротивление утечки в ЭТК напряжением 1140 В при наличии статической компенсации ёмкостной составляющей тока утечки и функции выявления и замыкания повреждённой фазы на землю (РУ-1140): а - без учёта наличия ЦОП в каждом присоединении; б - с учётом ЦОП в каждом присоединении

180


4.4 Воздействие коммутационного переходного процесса на параметры срабатывания устройства защитного обесточивания участковой электросети

Представленная на рис. 4.17 схема автономного устройства определения состояния кабеля электропитания АД на основе ёмкостнополупроводниковой цепи между вводами статора и контуром "земля" позволяет выявлять состояние повышенной проводимости цепи "фаза-земля". Исследованием (п.4.3) подтверждена работоспособность этой схемы и отсутствие ложных срабатываний при условии одновременной коммутации силового присоединения. С учётом промышленного применения целесообразно установление характера реакции этой схемы на возможные отклонения в одновременности пофазной коммутации силового присоединения, что является характерным для работы контактора. Кроме этого, практический интерес представляет вопрос распространения защитной функции на состояние неполнофазного электропитания АД потребителя. Uф

Rтр

Lтр

Rгк

Lгк

А3 Rs

А0

1

Сіз

RизRіз

Ls

С1

R4

А1 К1 К2 К3

Сиз

R1-R3 С2

А5

Сиз

2

U12

А6

С4

VD1 VD2

R5-R7 А2 Rгк

RизRіз

Сіз

Lгк

С3 3 Rs

R8 U34

4

Ls

А4

Рисунок 4.21 – Расчётная схема исследования влияния неодновременной и неполнофазной коммутации силового присоединения на формирование команды на защитное отделение от сети обратных энергетических потоков 181


Решение этой задачи может бать выполнено на основе расчётной схемы объекта исследования (рис. 4.21)¸ содержащей источник трёхфазного напряжения (Uф=660 В) с параметрами комплектной трансформаторной подстанции КТПВ-1000 (блок А0) и два потребителя – АД с обобщёнными активно-индуктивными сопротивлениями, соответствующими параметрам электрических машин типа 2ЭДКОФВ250М4 (блок А3) и ЭДКОФВ315LB4 (блок А4). [122]. Комплексные сопротивления силовых присоединений соответствуют параметрам кабелей марки КГЭШ 3х50 (мм2) и длиной 200 м. Этим же параметрам соответствуют ёмкостные проводимости изоляции, представленные на схеме конденсаторами Сиз (блоки А1, А2). Активные сопротивления изоляции Rиз каждого кабеля должны находиться в нормируемых пределах и в условиях исследования могут составлять 100 кОм/фазу для каждого кабеля. Устройства выявления аварийного состояния кабеля со стороны присоединений статора АД представлены блоками А5 и А6 с параметрами R1=R2=R3=30 кОм (R5=R6=R7= =30 кОм); C1=С3=10 мкФ; С2=С4=10 мкФ. Оперативный параметр формируется на резисторах R4=R8=5 кОм и определяется напряжениями U12 и U34. Исследование выполняется при допущении, что имеет место коммутация (включение) и последующее отключение АД М2 при условии, что двигатель первого присоединения подключен к сети, и его ротор вращается; контакты К1-К2 коммутационного аппарата включаются и отключаются одновременно, а контакт К3 включается с задержкой t1, а отключается: с опережением t2; с отставанием t3 относительно срабатывания контактов К1-К2. Дополнительным исследовательским материалом являются амплитуды оперативных параметров U12 и U34 при одновременной коммутации контактов К1-К2 включение – отключение и отсутствии коммутационной функции контакта К3. Результаты исследования представлены осциллограммой параметров U12 и U34 (как пример определения функции воздействия при неодновременной пофазной коммутации присоединения) и обобщены в виде диаграмм амплитуд указанных параметров (рис. 4.22) в зависимости от факторов воздействия (t1, t2, t3). Анализ диаграмм позволяет сделать выводы относительно допустимого временнóго диапазона неодновременности коммутации по критерию обеспечения устойчивости против ложных срабатываний устройства защитного отделения от электросети обратного энергетического потока АД. 182


а)

б)

в)

Рисунок 4.22 - Величины оперативного параметра при включении контакта К3 с задержкой t1 (а); при отключении контакта К3 с опережением t2 (б), с задержкой t3 (в)

183


Рисунок 4.23 - Величина оперативного параметра при возникновении однофазной утечки тока на землю Rут=1 кОм

Рисунок 4.24 – Величины оперативных параметров U12 (а) и U34 (б) при неполнофазном электропитании АД

В сравнении с аварийным состоянием силового присоединения (возникновения однофазной утечки тока на землю сопротивлением 1 кОм) величины оперативного параметра характеризуются напряжением U12=U34=60 В (рис. 4.23) в отличие от величины напряжения при неодновременной коммутации U12=U34=6÷20 В (рис. 4.23). Кроме этого, диаграммы (рис. 4.24) подтверждают способность узлов А5-А6 реагировать на неполнофазное электропитание асинхронного двигателя, что является важной дополнительной (по отношению к основной, рассматриваемой) защитной функцией.

184


4.5 Сопоставление технических свойств средств подавления воздействия обратных ЭДС асинхронных двигателей

Отделение от сети обратного энергетического потока АД в случае повреждения его питающего кабеля должно выполняться с максимально возможным быстродействием. Поэтому возникает необходимость решения задачи поиска информационного сигнала, который обеспечивал бы автономное выполнение этой функции силовыми коммутирующими устройствами со стороны самого асинхронного двигателя аварийного присоединения. Отсутствие "привязки" к факту срабатывания защитных устройств со стороны питающей трансформаторной подстанции позволит выполнить двустороннее обесточивание участковой электросети путём одновременного срабатывания защитных устройств как со стороны трансформаторной подстанции, так и со стороны асинхронных двигателей потребителей. Кроме этого, отделение от сети обратного энергетического потока асинхронного двигателя должно быть осуществлено и в случае возникновения аварийного состояния питающего кабеля после отключения напряжения сети в случае, если двигатель находится в состоянии выбега. Отделение от сети обратного энергетического потока АД может быть осуществлено закорачиванием или размыканием трёхфазной схемы его статорной обмотки [123, 124]. Однако, первый способ имеет ряд недостатков, что усложняет его применение. Во-первых, закорачивание статора АД может быть осуществлено только после отключения напряжения питания со стороны питающей трансформаторной подстанции. Это ведёт к увеличению продолжительности аварийного состояния и требует наличия информационной связи между автоматическим выключателем участка и устройством управления отделением от сети обратного энергетического потока асинхронного двигателя. Во-вторых, в момент закорачивания статорной обмотки работающего АД (или двигателя, находящегося в состоянии свободного выбега) будут возникать кратковременные токовые и механические перегрузки (рис. 4.25). В-третьих, в случае ложного срабатывания устройства подключения цепи искусственного короткого замыкания в силовых цепях участковой сети, находящейся под напряжением, возникнет аварийное состояние. В условиях шахты это недопустимо в виду опасности пожара или взрыва метано-воздушной смеси. 185


n, об/мин

Рисунок 4.25 – Расчётные диаграммы тока I, частоты вращения ротора n и электромагнитного момента М двигателя мощностью 160 кВт (в сети напряжения 660 В) в момент закорачивания статорной обмотки Uф * 100, В

Рисунок 4.26 - Осциллограмма фазного напряжения (ЭДС вращения) статора АД при разъединении трёхфазной схемы статора в момент t1 [49]

186


Поскольку указанных недостатков лишён способ разъединения трёхфазной схемы статора, либо отключения статора от питающей сети, предпочтение следует отдать этому способу. Такое отделение источника обратного энергетического потока от сети может быть реализовано в момент получения сигнала о наличии аварийного состояния участковой электросети, т.е., одновременно с защитным отключением подстанции, или даже опережая такое отключение (при условии применения быстродействующих средств определения информационного сигнала). Параметры быстродействия обесточивания аварийного присоединения при условии применения этого способа (рис. 4.26) обусловливаются техническими свойствами силовых коммутационных устройств и могут находиться в приемлемом диапазоне величин [124].

187


РАЗДЕЛ 5 ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СРЕДСТВ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ШАХТ ОТ АВАРИЙНЫХ И ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ 5.1 Обоснование принципов ускорения выявления короткого замыкания средствами максимальной токовой защиты

Увеличение мощностей электрогенерирующих устройств и потребителей современных шахтных участковых электросетей обусловливает целесообразность ускорения их обесточивания в случае возникновения состояний междуфазного короткого замыкания. Кроме этого, проблематика обеспечения эффективной максимальной токовой защиты усложняется в случае применения полупроводниковых регуляторов трёхфазного напряжения промышленной частоты, когда угол отпирания тиристоров может находиться в диапазоне 0<α<π (рад.) и влиять на величину тока в отходящем силовом присоединении. Этот вывод вытекает из анализа процессов в расчётной схеме (рис. 5.1), где приняты обозначения: e(t) – мгновенное значение фазных ЭДС КТП; R1 и L1 – сопротивление и индуктивность трансформатора и электрической сети от трансформатора до ТРН; R2 и L2 – сопротивление и индуктивность участка кабеля от ТРН до места к.з.; R3 – переходное сопротивление замыкания; R4 и L4 – сопротивление и индуктивность статора АД и участка кабеля от места к.з. до АД; R5 и L5 – сопротивление и индуктивность ротора АД. Фазные ЭДС вращения двигателя учитываются параметром eв. [125, 126]. В данной схеме вероятны пять комбинаций состояний тиристоров регулятора напряжения (ТРН): - все тиристоры включены; - все тиристоры заперты; - три комбинации, при которых включены по два тиристора в разных фазах. Параметры сопротивлений R3 определяют цепи повышенной междуфазной проводимости (междуфазного короткого замыкания, что моделируется замыканием соответствующего ключа К1÷К3. Для каждого состояния комбинации тиристоров ТРН может быть создан граф схемы, матрица соединений Π, ЭДС Eвр(t), сопротивлений Rв и индуктивностей ветвей Lв, из которых находятся матрицы контуров 188


Γ, контурных ЕРС Ek(t), сопротивлений Rk и индуктивностей Lk. ЭДС вращения АД учитывается вводом в соответствующие ячейки матрицы сопротивлений коэффициентов keс и keр (для учёта влияния токов статора и ротора на процессы в системе): 3 keс = 2 ∗ π ∗ f р ∗ M ∗ (5.1) 2 ⎛ 3 1 ⎞ ⎟ + Lσр ∗ ke р = 2 ∗ π ∗ f р ∗ ⎜⎜ M ∗ (5.2) ⎟ 2 3 ⎝ ⎠

где fр – частота вращения ротора, умноженная на число пар полюсов; Lσр – индуктивность рассеяния ротора; M – взаимная индуктивность между обмотками статора и ротора одной фазы. КТП

lk1

e(t)

O

L1

R1

ТРН

IКЗ(3)

ТРН

lk2

R2 L2

АД

а)

R4 L4

L5 R5

A

евр

B

E

C D

б) R3 F

Рисунок 5.1 – Расчётная схема системы «ТРН-АД» при исследовании междуфазного короткого замыкания: а – упрощённая схема электропитания асинхронного двигателя в состоянии параметрического регулирования; б - схема замещения силового присоединения с АД в состоянии короткого замыкания

В дальнейшем может быть введена индексация переменных на основе обобщённой переключающей функции, обусловленная состояниями тиристоров ТРН: sc = fra + 2 ∗ frb + 4 ∗ frc , где fra, frb и frc 189


– соответственно, переключающие функции тиристоров фазы A, B и C, равные "1" если тиристор включен и "0" – если тиристор заперт. Состояние каждого тиристора ТРН определяется уравнением [125; 126]: fr = fi + ot ∗ fu . В последнем выражении функции сложения и умножения являются логическими. ot – функция отпирання тиристора (равна "1", коли если подаётся отпирающий импульс и "0" – если такого импульса нет, fi и fu – функции изменения, соответственно, тока, проходящего через тиристор и напряжения на тиристоре (равны"1", если ток и напряжение превышают "0". В ином случае эти функции равны нулю. С целью уменьшения размерностей матриц в дифференциальном уравнении системы целесообразно расчёт вести методом контурных токов: dIk (t ) Rk ∗ Ik (t ) + Lk ∗ = Ek (t ) (5.3) dt Учитывая неопределённость моментов коммутации тиристоров в динамическом режиме работы системы "ТРН-АД", целесообразно применение матрично-аналитического метода определения переменных состояния при расчёте матричных экспоненциалов, который состоит в том, что на интервалах между коммутациями тиристоров ТРН решение дифференциального уравнения (5.5) находится как сумма установившейся и переходной составляющих: Ik(t) = Ikу(t) + Ikпр (t) (5.4) Установившиеся значения контурных токов Ikу и узловых напряжений Uuу определяются вычислением этих значений символическим методом с последующим переходом к комплексной форме относительно определения их зависимости от времени для каждого состояния тиристоров ТРН. Переходная составляющая определяется путём решения уравнения системы при ЭДС, которые равны нулю: dIk (t ) =0 Rk ∗ Ik (t ) + Lk ∗ (5.5) dt После решения уравнения (5.7) имеем: (5.6) Ikпр(t) = Ikпр.0∗ exp(-Lk-1∗ Rk∗ (t - tк)), (5.7) Ikпр.0 = Ik0 - Ikу(tк), где Ikпр(t) – зависимость переходной составляющей контурных токов от времени; tк – момент последней коммутации тиристоров ТРН; Ikпр.0 – вектор значений переходной составляющей контурных токов в момент tк.; Ik0 – вектор значений контурных токов переходного процесса 190


в момент последней коммутации тиристоров ТРН; Ikу(tк) - вектор значений установившейся составляющей контурных токов в момент последней коммутации тиристоров ТРН. Рассмотренный принцип позволяет получать значения контурных токов в любой момент времени между коммутациями тиристоров (с учётом проверки после каждого шага расчёта). Обобщением этой методики является алгоритм расчёта (рис. 5.2). На рис. 5.3 представлены результаты определения параметров процессов в объекте исследования для таких условий: короткое замыкание является двухфазным (между фазами "В" и "С") через переходное сопротивление 0,045 Ом у зажимов асинхронного двигателя 2ЭДКОФ 250LB4, работающего с номинальной угловой скоростью вращения ротора при величине фазового угла отпирания тиристоров α=95°; электропитание - от участковой трансформаторной подстанции КТПВ 630-6/0,69 мощностью 630 кВА через магистральный кабель ЭВТ 3×120+1×10 длиной 50 м и кабель потребителя КГЭШ-3×50+1×10 длиной 200 м. Анализ полученных результатов свидетельствует о существенном отличии параметров тока короткого замыкания на выходе ТРН от тока аналогичного аварийного процесса в сети при отсутствии полупроводникового регулятора напряжения. Отсюда следует, что для подобных присоединений более приемлемо применение максимальной токовой защиты, уставка которой динамично корректируется в функции углов отпирания (α) тиристоров ТРН. Амплитудно-фазовые параметры тока могут быть использованы как информационный параметр перспективного быстродействующего устройства максимальной токовой защиты в сетях с контакторной коммутацией силовых присоединений. Исследование особенностей изменения упомянутых информационных параметров, выполняется с учётом допущений, что в исходном состоянии в электросети действует трёхфазная система номинальных напряжений промышленной частоты; АД потребителя нагружен номинальным моментом сопротивления; короткое замыкание в гибком кабеле – трёхфазное, симметричное. Практический интерес представляет определение величин фазового угла φ между током и напряжением соответствующей фазы и скорости увеличения тока в процессе при варьировании длины гибкого кабеля до точки замыкания с учётом величины сопротивления вторичной обмотки трансформатора питающей КТП. 191


1

начало

1

2

ввод Π, Rв, Lв, Eв(t)

k=1…n

11

3

вычисление Ikпр(tk, sc), Uuпр(tk, sc)

ввод α, h

4

12

ввод Ik0

определен. Ikу(tk, sc), Uuу(tk, sc)

5

Вычисл. Γ, Rk, Lk

1

Вывод результатов

2 конец

13

вычисление Ik(tk, sc), Uu(tk, sc)

6

НахождениеIkу(t), Uuу(t)

14 вычисление ot, fi, fr, sc

7 Вычисл

15

fi, fr, Uu

8

Вычисл.

Ikпр.0

Ні

sck= sck-1

1 уточнение момента коммутации

9

запись 0го шага расчёта

17

вычисление

Ikпр.0(sc)

1

запись kго шага расчёта

Рисунок 5.2 – Алгоритм расчёта электрических параметров объекта

192


2000

i, А

iA

iB

iC

1000

0

1000

2000 0.96

600

t, с 0.97

0.98

uA

u, В

uB

0.99

1

0.99

1

uC

300

0

300

600 0.96

t, с 0.97

0.98

Рисунок 5.3 – Диаграммы токов и напряжений на выходе ТРН в состоянии двухфазного к.з. в его силовом присоединении

Имеется в виду: КТП конкретной мощности и гибкий кабель марки КГЭШ соответствующего сечения при величине номинального линейного действующего напряжения сети 660 В и 1140 В. Результаты моделирования (рис. 5.4 и 5.5) дают реальное представление о характере изменения тока к.з. в сети участка и позволяют сделать вывод о приемлемости использования di/dt в качестве информационного параметра о начале короткого замыкания (в конкретном диапазоне величин di/dt) при условии: φmin < φ < φmax [127]. На рис. 5.6 представлены диаграммы изменения скорости увеличения тока (А/с), что соответствует фазовому углу φ при варьировании длины гибкого кабеля до точки замыкания с учётом применения кабелей разных сечений. С уменьшением длины гибкого кабеля до точки к.з. соответственно, уменьшаются токоограничивающие свойства сети, что ведёт к увеличению параметра di/dt, сопровождае193


мого увеличением фазового угла φ. Последнее поясняется значительным уменьшением соотношения "активное сопротивление / индуктивность" короткозамкнутого участка по мере приближения точки к.з. к зажимам трансформаторной подстанции электропитания.

а) б) Рисунок 5.4 – Диаграммы зависимости угла φ от длины гибкого кабеля при напряжении сети 1140 В: а - КТПВ-1000-6/1,2; б - КТПВ-630-6/1,2; (1 - КГЭШ 3×70, 2 - КГЭШ 3×50, 3 - КГЭШ 3×35)

а) б) Рисунок 5.5 – Диаграммы зависимости угла φ от длины гибкого кабеля при напряжении сети 660 В: а - КТПВ-1000-6/0,69, б - КТПВ-630-6/0,69, (1 - КГЭШ 3×70, 2 - КГЭШ 3×50, 3 - КГЭШ 3×35)

Короткое замыкание в сети может быть выявлено на основе определения параметров di/dt и φ, а также, их соотношения, что поясняется рис. 5.7 и 5.8. Так, выявление малой величины угла φ может быть выполнено в результате сопоставления временнóго интервала полуволны напряжения (U4), пропорционального фазному току и временнóго интервала существования импульса (U3) ограниченной продолжительности, сформированного в момент начала полуволны 194


напряжения той же фазы и полярности. Совпадение во времени импульсов U4 и U3 (импульс U5) свидетельствует о том, что имеется ненормально малая величина фазового угла φ и может рассматриваться как условие измерения параметра di/dt на фиксированном интервале времени (импульс U6, сформированный передним фронтом импульса U5). Большая величина di/dt на интервале импульса U6, совпадающего с малой величиной фазового угла φ, является косвенным свидетельством начала короткого замыкания.

а) б) Рисунок 5.6 – Диаграммы скорости увеличения тока к.з., соответствующего величине угла φ: а - подстанция участка КТПВ-1000-6/1,2; б - подстанция участка КТПВ-1000-6/0,69

Рисунок 5.7 – Диаграмма параметров устройства выявления малого угла φ между напряжением и током фазы сети 195

Определение величины параметра di/dt может быть выполнено на основе контроля временнóго промежутка прохождения напряжением, пропорциональным фазному току (мгновенное значение) защищаемой сети двух фиксированных уровней Uоп1 и Uоп2 (рис. 5.8) [127-129]. Увеличенная интенсивность роста тока соответствует совпадению во времени интервалов существования импульса U9 (превышения напряжением U7, пропорциональным току сети, предельного значения Uоп2) и


импульса U11 ограниченной продолжительности, сформированного в момент, когда напряжение U7 равняется напряжению Uоп1. Этот способ не требует выдержки времени на измерение амплитуды, либо действующего значения тока сети и поэтому является принципиально пригодным для выявления процесса короткого замыкания участковой сети на начальной стадии.

а

б

Рисунок 5.8 – Диаграммы параметров устройства определения интенсивности увеличения мгновенного значения синусоидального параметра сети

Высоким быстродействием выявления процесса роста тока в трёхфазной сети отличается способ, основанный на контроле смещения точки равенства мгновенных значений токов двух смежных фаз (рис. 5.9) [128]. Способ позволяет выявлять как процесс увеличения тока, так и переходный процесс возникновения короткого замыкания, когда ток сети (со стороны КТП) определяется суммой периодической и апериодической составляющих (рис. 5.9, б). При этом информационный сигнал (U1) может быть сформирован ранее достижения током своей амплитуды.

196


Im2 Im1

0

t U1

t

Uоп

0

t а

U1 Uоп 0

t1 t2

t3

б

t

Рисунок 5.9 – 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 з питающей трансформаторной подстанции)

5.2 Двустороннее обесточивание сети при возникновении междуфазного дугообразования в кабеле питания асинхронного двигателя

Специфическим аварийным состоянием силового электрооборудования является междуфазное дугообразование вследствие повреждения междуфазной изоляции. Это состояние не типично при эксплуатации горношахтного электрооборудования, однако, оно является вероятным и представляет собой опасность по фактору создания условий возникновения пожара или взрыва метано-воздушной смеси в атмосфере шахты. В дальнейшем, по мере распространения дугообразования, оно превращается в междуфазное короткое замыкание. Однако само междуфазное дугообразование (дуговое замыкание) не может быть выявлено существующими средствами максимальной то197


ковой защиты, поскольку сопротивление электрической дуги не равно нулю, а является соразмерным с сопротивлением силовой нагрузки кабельного присоединения (например, сопротивлением статора асинхронного двигателя). БУ

БС 3

ДТ БЗУ 1

U1

БС 1 U3

U4 БЗУ 2

U2

Uинт

1 D1

DA 1

БС 2 Рисунок 5.10 – Структурная схема устройства защиты от дуговых замыканий в сети питания АД и его несостоявшихся пусков

Построение устройства автоматической защиты от междуфазного дугообразования основано на управлении уставкой токовой защиты АД потребителя на этапе его пуска (рис. 5.10) [110]. В начале пуска асинхронного двигателя блок задания уставки (БУ) формирует уставку тока, превышающую величину пускового тока двигателя. Выходной параметр датчика скорости (ДС) сравнивается в блоке сравнения (БС1) с опорным напряжением, поступающим с выхода блока задания уровня (БЗУ1), равным выходному напряжению ДС при достижении двигателем близкой к номинальной угловой скорости ротора. В случае Uс>U1, на выходе БС1 формируется команда U3 на уменьшение уставки токовой защиты, поступающая через элемент ИЛИ (D1) на вход БУ. Уставка защиты уменьшается до величины, несколько (на 20-50 %) большей, чем номинальный ток асинхронного двигателя, что даёт возможность реагировать на токовую перегрузку, соразмерную по величине с номинальным током потребителя. 198


SA1

РУНН КТП

Заземляющий болт на корпусе АД

ИКА

Рисунок 5.11 - Структурная схема устройства отделения от сети обратного энергетического потока АД в ЭТК участка шахты при возникновении междуфазного дугообразования в кабеле электропитания

Устройство выполняет защиту и от несостоявшегося пуска. В этом случае выходное напряжение датчика скорости поступает на вход интегратора и запрещает его работу, если ротор двигателя вращается. В противном случае (неподвижный ротор) интегратор DA1 увеличивает напряжение на своём выходе, которое 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 БЗУ. В этом случае уставка защиты изменяется до меньшего уровня ранее, чем окончание продолжительности пуска двигателя. Поскольку уменьшенная уставка становится меньшей пускового тока АД, произойдёт защитное отключение коммутационного аппарата. Процесс междуфазного дугообразования в кабеле питания асинхронного двигателя может быть выявлен и техническими средствами 199


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 активного сопротивления. 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) [130]. Устройство защиты (рис. 5.11) предполагает в своём составе аппарат трёхполюсной коммутации (контактор КМ1) трёхфазной схемы статора ZSA; ZSB; ZSC АД потребителя участка. В цепях линейных токов статора (в "звезде" статорной обмотки АД) предусмотрены трансформаторы тока, соответственно, ТА1; ТА2; ТА3, соединённые выходами со входом выпрямителя VC1. Нагрузкой выпрямителя является цепь из последовательного соединения потенциометра R1 и конденсатора С1(резистор R3 большого сопротивления предназначен для разряда конденсатора С1). Это даёт возможность выделить на потенциометре R1 переменную составляющую выпрямленного напряжения (с выхода VC1), пропорционального вторичному току трансформаторов ТА1-ТА3. 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 один от другого. Будучи поданными на выпрямитель VC1, они создают на резисторном делителе напряжения (потенциометре R1) переменную составляющую напряжения стабильной величины и формы. В случае возникновения междуфазного дугового замыкания (обозначено резистором Rд) в сети электропитания асинхронного двигателя, линейный ток его статора, контролируемый трансформатором тока ТА2, будет существенно отличаться от других двух линейных токов статорной обмотки. В связи с этим будет иметь место наличие импульсов увеличенной амплитуды в переменной составляющей выходного напряжения на резисторном делителе напряжения R1 активно-ёмкостной нагрузки выпрямителя VC1. Это должно привести к срабатыванию реагирующего органа (РО) и исполнительного коммутационного аппарата ИКА. Замыкающий контакт КМ1.1 этого аппа200


рата присоединит статорную обмотку асинхронного двигателя к его заземленному корпусу (заземляющий болт) через резистор R2, что является созданием цепи искусственной утечки тока на землю, и в связи с этим должно произойти срабатывание участкового аппарата защиты от утечек тока на землю (АЗУР) в распределительном устройстве низкого напряжения участковой комплектной трансформаторной подстанции (РПНН КТП). По команде последнего отключается автоматический выключатель SА1 КТП. Одновременно с этим исполнительный коммутационный аппарат (ИКА) размыкает свои контакты (трёхфазная система КМ1), чем разрывает трёхфазную схему соединения статорных обмоток двигателя, делает невозможным электропитание повреждённого места электросети от обратного энергетического потока асинхронного двигателя. Этим обеспечивается двустороннее обесточивание места возникновения 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 потребителя в состоянии свободного выбега так же будет иметь место неодинаковость линейных токов, контролируемых трансформаторами тока ТА1-ТА3. Это вызовет срабатывание реагирующего органа РО и исполнительного коммутационного аппарата, который отключением контактов трёхфазной контактной группы КМ1 отделит от сети обратный энергетический поток, действующий со стороны статора АД и этим обесточит место повреждения в сети его электропитания. 5.3 Принудительное отключение контактора пускателя как дополнительное средство повышения безопасности эксплуатации электрооборудования

Действенной мерой по обеспечению защиты человека от электропоражения при эксплуатации шахтных участковых электросетей является объединение функции отключения напряжения питания сети с командой устройства защиты от утечек тока на землю с функцией закорачивания на землю повреждённой фазы через активное сопротивление малой величины (аппараты РУ-1140; АЗУР-4; АЗУР-4ПП; АЗУР-4МК) [12; 13; 18; 61; 62]. Целесообразной дополнительной мерой в этом направлении можно считать поддержание замкнутого со201


стояния контакта короткозамыкателя и принудительное поддержание во включенном состоянии силовых контактных групп всех автоматических выключателей и пускателей, которые были включены перед появлением цепи утечки тока на землю на время существования обратных ЭДС АД потребителей (после защитного отключения напряжения питания участковой электросети). Однако, схемы силовых коммутационных устройств, применяемых в составе шахтных участковых электротехнических комплексов, не предусматривают возможность принудительного продолжительного поддержания включенного состояния силовых контактных групп. Поэтому защитное действие короткозамыкателя устройства защиты от утечек тока на землю прекращается уже при отключении группового АВ распределительного пункта технологического участка (относительно присоединений, отходящих от АВ). Кроме этого, не целесообразно поддержание замкнутого состояния силовых контактных групп коммутационных устройств, если срабатывание защиты от утечек тока на землю стало реакцией на междуфазное короткое замыкание или дугообразование, сопровождаемое возникновением повышенной проводимости между повреждённой фазой (фазами) и контуром "земля". Это состояние требует ускорения обесточивания всех фаз сети. Исследованиями (раздел 2.4) доказана возможность уменьшения продолжительности тока в сети (при повреждении силового присоединения) при условии применения защитного отделения от сети обратных энергетических потоков каждого из АД потребителей. Однако, следует учитывать, что отсутствие комплектации таким средством одного или группы АД приведёт к возникновению обратной ЭДС двигателя, либо обобщённой ЭДС от группы двигателей, которая способна сформировать уравнительные токи в сети после её отключения, поддерживать включенное состояние контакторов пускателей и ток в аварийном присоединении. Поэтому дополнительной защитной функцией можно считать применение принудительного отключения контактора пускателя в случае отключения напряжения сети ЭТК от питающей КТП (рис. 5.12) [131; 132].

202


БДТ1 БДС1

БДТ2 БДС2

СК

КНО1

Трансформатор КТП

SA

РПНН РУНН КТП КТП

КНО2

АЗУР

Транзитная Транзитна магистраль

магістраль

КМ

Пn АД =1

D1

D2

П2

КМn

П1 КМ2

isn

ИУ

АДn

БДУ

КМ1

is2

RутRв

АД2

is1 АД1

а б Рисунок 5.12 - Упрощённые структурные схемы: а - устройства принудительного отключения пускателя; б - электроснабжения участка шахты

Эта функция может быть реализована подключением вводного и отходящего кабеля транзитной магистрали к силовым контактам (СК) присоединения в сетевом отделении кабельного ввода пускателя последовательно через блоки датчиков тока (БДТ1 и БДТ2). Компараторы - нуль-органы (КНО1 и КНО2) предназначены для формирования сигналов логической "единицы" в случае наличия тока в кабеле, контролируемом соответствующим блоком БТД. 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 КНО1 и КНО2 будут сформированы, соответственно, логический "нуль" и логическая "единица". Эти сигналы подаются на входы элемента "Исключающее ИЛИ" (D1), обусловливают формирование логической "единицы" на его выходе и импульса фиксированной продолжительности на выходе одновибратора (D2), что является сигналом управления исполнительным устройством (ИУ) принудительного отключения контактора (КМ) через блок дистанционного управления (БДУ).

203


5.4 Электробезопасность эксплуатации двухскоростного асинхронного двигателя

Перспективным направлением в области создания шахтных скребковых конвейеров является применение в качестве приводных двухскоростных асинхронных двигателей. Они имеют на одном магнитопроводе две трёхфазные статорные обмотки в каждой – соединения по схеме "звезда" 1 и 2 (рис. 5.13) с четырьмя и двенадцатью полюсами и позволяют получать синхронные угловые скорости ротора, соответственно, 1500 об/мин. и 500 об/мин. Это существенно способствует повышению безопасности эксплуатации конвейера: пуск конвейера с кратковременной ступенью уменьшенной (в 3 раза) скорости тягового органа; вспомогательные операции по доставке оборудования и материалов в очистной забой на малой скорости. Однако, отличаясь расширением функциональных возможностей, двухскоростной АД является источником опасности электропоражения человека вследствие существования "трансформаторной" ЭДС в отключенной обмотке статора. Установлено (рис. 5.14), что при работе АД (ЭДКВФ-355L12/4) с номинальной угловой скоростью в обмотке пониженной скорости (ОПС) генерируется трёхфазная ЭДС, представленная двумя составляющими: высокочастотной – з частотой f1=1650 Гц и амплитудой Um1≈ 100 В и несущей частотой f2 = 143 Гц и амплитудой Um2 ≈142 В (рис. 5.14, а). При подключении ОПС к питающей сети в обмотке номинальной скорости (ОНС) генерируется ЭДС с частотой f1=650 Гц (рис. 5.14, б). Эти действующие значения индуктированных ЭДС в фазах отключенных от сети питания обмоток статора составляют; в обмотке пониженной скорости ЕОПС = 145 В; в обмотке номинальной скорости ЕОНС = 33 В. Следовательно, актуально определение уровня опасности электропоражения человека от "трансформаторной" ЭДС в сети отключенной обмотки статора двухскоростного асинхронного двигателя (рис. 5.15) [133]. Электрические параметры в присоединении отключенной обмотки статора работающего двухскоростного АД могут быть определены на основании исследования модели объекта, созданного структурой силового кабельного присоединения с активными сопротивлениями изоляции в пределах значений, реальных для шахтного участкового электротехнического комплекса и ёмкостными сопротивлениями изоляции, соответствующими сечению и длине кабеля, сопротивлением утечки на землю (Rут=1 кОм) и трёхфазным источником 204


электропитания, в каждой фазе которого последовательно включены источники ЭДС высокой (fв) и несущей (fн) частоты с параметрами, определёнными из анализа осциллограмм эксперимента. На рис. 5.16 представлена форма смоделированной фазной ЭДС, индуктированной в обмотке малой скорости двухскоростного АД типа ЭДКВФ355L12/4 [134]. Схема замещения (рис. 5.17) раскрывает структуру объекта при исследовании состояния цепи однофазной утечки тока на землю в присоединении отключенной обмотки статора.

Катушечная группа

Катушечная группа

а) б) Рисунок 5.13 – Схемы обмоток статора двигателя серии ЭДКВФ: а – обмотка номинальной скорости (количество полюсов 2р = 4); б – обмотка пониженной скорости (количество полюсов 2р = 12)

Рисунок 5.14 - Осциллограммы вторичных ЭДС АД в обмотках пониженной (а) и номинальной (б) скоростей асинхронного двигателя ЭДКВФ-355L12/4 205


TV

КМ 1

SA

uф Zтр

ГК1

Rs 1

Ls 1

Rіз ф 1 Rизф1 Сіз ф 1 Cизф1

АЗУР

КТП

Zгк 1

КМ 2

Zгк 2

Rr, Lr

ГК 2

Rs 2

Ls 2

із ф 2 RR изф2 із ф 2 CС изф2

Рисунок 5.15 – Формирование утечки тока на землю в присоединении статора двухскоростного асинхронного двигателя

fВ = 1650 Hz fН = 143 Hz

200 В

0

Рисунок 5.16 – Смоделированная осциллограмма фазной ЭДС в отключенной обмотке малой скорости АД типа ЭДКВФ-355L12/4

На схеме: uв; uн – составляющие фазного напряжения (высокой и несущей частоты) в цепи утечки (в случае представления всей системы в виде трёхфазного источника, созданного составляющими напряжения высокой и несущей частоты – UнА, UвА; UнВ, UвВ; UнС,UвС); Rут – сопротивление цепи утечки; Cиз, Rиз – соответственно, совокуп206


ная ёмкость и активное сопротивление изоляции трёх фаз сети (Cиз ф, Rиз ф − соответственно, совокупная ёмкость и активное сопротивление изоляции фазы кабелей, связанных с местом утечки тока iут на землю). Для этой схемы выполняются соотношения: Cиз = 3Сиз ф ; Rиз = Rиз ф 3 (5.8) Применительно к схеме (рис. 5.17,б) запишем уравнения, описывающие процессы в системе: 1 ⎧ = i i2 dt 1 ⎪ Rіз Cіз ∫ ⎪ 1 ⎪ = i ⎪ 2 R (uф − Rіз i1 ) − i1 − i3 в ⎪ ⎪ ⎨i3 = ∫ iп dt ⎪ ⎪i = 1 i dt ⎪ п Lдр Cіз ∫ 2 ⎪ ⎪iв = i1 + i2 + i3 ⎪⎩

(5.9)

где uф=uнmsinωнt + uвm(sinωвt+φв) – фазное напряжение в цепи утечки тока на землю; φв – угол смещения составляющей напряжения высокой частоты; uнm, uвm – амплитуды составляющих напряжения несущей и высокой частоты. UнА

RRізизф ф

UвА

UA UA

Rут UнВ

UвВ

R із ф

UB UB

UнС

UвС

R із ф

UC UC

С із ф

С із ф

Rут a

iутiв

R із

i1

Rиз ф

С із

L др i2

i3

б)

С із ф Rв

Uн u фUв

Cиз ф

Cиз ф

a)

Рисунок 5.17 - Схема замещения системы (а) и эквивалентная схема замещения (б) цепи однофазной утечки тока на землю в присоединении отключенной обмотки статора работающего двухскоростного АД 207


Количество электричества, прошедшего через сопротивление цепи однофазной утечки тока на землю с момента возникновения аварийного состояния t´ и до момента исчезновения ЭДС вращения АД t´´, вычисляется в соответствии с зависимостью: t ′′

q = ∫ I в (t )dt t′

(5.10)

где I в (t ) − эффективное значение тока утечки через сопротивление тела человека, изменяющееся в процессе аварийного состояния сети (касания человеком токоведущих элементов, находящихся под напряжением). На рис. 5.18 и 5.19 представлены величины, соответственно, тока и количества электричества в отходящем присоединении обмотки малой скорости при условии электропитания обмотки номинальной скорости АД типа ЭКВФ-355L12/4 в зависимости от длины и сечения кабеля питания, полученные моделированием [135].

Рисунок 5.18 – Диаграммы тока утечки на землю в кабеле отключенной обмотки пониженной скорости АД ЭКВФ-355L12/4 при электропитании обмотки номинальной скорости, в зависимости от длины и сечения кабеля, полученные моделированием 208


Таким образом, установлено свойство работающего двухскоростного асинхронного двигателя создавать опасность электропоражения в силовом присоединении отключенной обмотки статора. В частности, представляющее опасность по величине (более 50 mА·с) количество электричества в цепи утечки (1 кОм) отключенной обмотки малой скорости при условии применения в её силовом присоединении кабеля сечением 70 мм2, длиной 300 м будет иметь место при продолжительности тока в цепи утечки 0,52 с. Для кабеля сечением 35 мм2 эта продолжительность – 0,62 с.

Рисунок 5.19 – Диаграммы изменения количества электричества в цепи утечки тока на землю в отключенной обмотке статора двухскоростного АД

Принцип защиты от электропоражения в силовом присоединении отключенной обмотки статора двухскоростного АД состоит в создании пути оперативного тока участкового аппарата защиты от утечек тока на землю. (АЗ) на цепь отключенной обмотки статора и в создании цепи кратковременной проводимости в реагирующем органе в момент возникновения цепи утечки тока на землю в силовом присоединении статорной обмотки (рис. 5.20) [136]. Так, постоянный оперативный ток АЗ будет поступать в присоединение отключенной обмотки статора (например, "Статор1") через первичную обмотку трансформатора TV2. Поэтому в случае касания человеком фазного проводника присоединения этой обмотки (появление цепи утечки на землю Rут) должно произойти срабатывание АЗ, что приведёт к отключению автоматического выключателя SA комплектной трансформаторной подстанции участка.

209


Статор 1 TV2 Rиз; Cиз “A» VD1

Rут

РО

«Земля» C1 TV1

Rиз; Cиз

SA

Статор 2 КТП

АЗ «Земля»

Рисунок 5.20 - Схема устройства выявления тока утечки на землю в присоединении отключенной обмотки статора работающего двухскоростного асинхронного двигателя

Наряду с этим, выявление момента возникновения цепи утечки тока на землю в отключенной обмотке статора производится в результате образования цепи 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 обмотки "Статор1". В этом случае на выходе вторичной обмотки трансформатора TV2 будет сформирован импульсный сигнал, который вызовет срабатывание реагирующего органа (РО), задействованного как элемент управления коммутационным устройством защитного отделения от цепи (Rут) 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 это состояние появилось, когда двигатель находился в режиме свободного выбега после отключения от источника электропитания. В этом случае источником 210


импульса в цепи кратковременной проводимости, созданной подключением конденсатора С1 и диода VD1 между выводом "А" обмотки трансформатора TV2 и зажимом заземления будет трёхфазная обратная ЭДС, индуктированная в обмотках статора АД вращающимся полем его ротора на интервале свободного выбега. Применение этого защитного устройства должно быть согласовано с функционированием АЗ. Схема присоединения конденсатора С1 последовательно в цепь определения информационного параметра и подключение диода VD1 катодом к зажиму заземления исключает воздействие защитного устройства на работу АЗ. Таким образом, представленное устройство обеспечивает расширение 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. 5.5 Техническая реализация принципа токоограничения при отключении сети в режиме короткого замыкания

Процесс короткого замыкания в шахтной участковой электросети сопровождается возникновением крайне высоких фазных токов в виду низких токоограничивающих свойств трансформаторов КТП и кабелей. С учётом тенденции к повышению мощности электромеханического оборудования технологических участков следует иметь в виду, что токоограничивающие свойства участковой электросети в перспективе будут ещё более снижаться. Поэтому актуальной представляется задача недопущения воспламенения оболочки кабеля вследствие воздействия тока к.з. (от момента его возникновения до момента защитного отключения); обеспечения заданного ресурса силовой контактной группы коммутационного аппарата, функционирующего в процессе отключения тока короткого замыкания. Решение этой задачи рационально рассматривать в контексте реализации функции токоограничения в процессе защитного отключения короткого замыкания. Применение технических средств токоограничения непосредственно в составе КТП позволит распространить данную 211


защитную функцию на всю электросеть участка и, в частности, ограничить ток, разрываемый силовой контактной группой автоматического выключателя РУНН КТП. Этот принцип реализуется схемой, представленной на рис. 5.21, где соединение в "звезду" вторичной трёхфазной обмотки 2 трансформатора 1 КТП выполнено с использованием трёхфазного мостового выпрямителя 3, нагруженного токоограничивающим резистором 4 и размыкающим контактом 5 [137]. Как вариант, нагрузкой выпрямителя 3 может быть плавкий предохранитель. 1

2

3

4 5 Рисунок 5.21 – Схема трансформатора КТП с элементами токоограничения процесса отключения короткого замыкания силового присоединения

При отсутствии аварийного состояния в силовом присоединении вторичной обмотки 3 трансформатора 1 управляемый размыкающий контакт 5 замкнут и через диоды мостового выпрямителя 3 соединяет вторичные фазные обмотки трансформатора в трёхфазную схему. В момент появления повышенной междуфазной проводимости на выходе трансформатора повышается ток в присоединениях нагрузки выпрямителя 3, что приводит к размыканию контакта 5 (либо перегоранию предохранителя в случае использования его вместо параллельного соединения элементов 4 и 5 в качестве нагрузки выпрямителя 3). В результате в цепь вторичной обмотки вводится добавочное сопротивление 4 (либо происходит разъединение трёхфазной схемы вторичной обмотки 2 трансформатора 1 при использовании предохранителя), что приводи к автоматическому уменьшению тока трансформа212


тора и его силового присоединения в процессе защитного отключения (средствами максимальной токовой защиты). При наличии нулевого расцепителя напряжения в автоматическом выключателе КТП введение дополнительного сопротивления 4 в цепь вторичной обмотки 2 приведёт и к срабатыванию этого расцепителя вследствие значительного уменьшения линейного напряжения на выходе обмотки 2. Это является фактором повышения надёжности защитного обесточивания сети. Переключение нагрузки трёхфазного мостового выпрямителя 3 с нулевого электрического сопротивления размыкающего контакта 5 на сопротивление резистора 4 позволяет выполнить токоограничение в сети обмотки 2 с уменьшенными показателями искрообразования и перенапряжения в контакте 5. 5.6 Обобщение принципов применения автоматического защитного двустороннего обесточивания шахтной участковой электросети

Обоснованная целесообразность применения функции защитного отделения обратного энергетического потока асинхронного двигателя (как составляющей двустороннего обесточивания сети шахтного участкового электротехнического комплекса при возникновении её аварийного состояния) предусматривает применение соответствующих исполнительных средств и корректирования структуры схемы электроснабжения технологического участка в целом. Полученные результаты, обобщённые в обосновании технических решений [116, 118; 119; 129; 130; 132; 136], в своей совокупности обусловливают применение структурных изменений в электротехническом комплексе участка шахты относительно применения исполнительных устройств отделения обратных энергетических потоков асинхронных двигателей потребителей (с соответствующими устройствами управления) непосредственно в схемах силовых присоединений их статоров (рис. 5.22). Кроме этого, с целью решения задачи принудительного отключения контакторов пускателей в момент отключения напряжения питания участковой трансформаторной подстанции схемы пускателей могут быть дополнены техническими средствами, действие которых основано на сопоставлении токов вводного и отходящего присоединений. В совокупности с учётом наличия устройства защиты от утечек тока на землю, экранированных гибких кабелей в со213


ставе участковой электросети и наличия заземления их заземляющих жил, эти технические решения обеспечивают выполнение функции двустороннего отделения энергетических потоков от места повреждения в электротехническом комплексе участка шахты (как со стороны КТП, так и со стороны асинхронных двигателей потребителей). Важно, что технические меры по совершенствованию шахтного участкового электротехнического комплекса не требуют применения средств передачи информационных сигналов от подстанции участка, автоматического выключателя или пускателей участкового распредпункта на устройства отделения обратных энергетических потоков асинхронных двигателей потребителей участка и этим не усложняется его схема. Техническая реализация предложенных способов обесточивания места повреждения в электротехническом комплексе участка шахты предусматривает разработку соответствующих схем, которые могут отличаться по структуре в зависимости от особенностей применяемых компонентов. Таким образом, усовершенствованная структура электротехнического комплекса технологического участка шахты отличается применением: автономных средств отделения обратных энергетических потоков при возникновении междуфазных цепей повышенной проводимости и утечек тока на землю в кабелях питания асинхронных двигателей и может бать дополнена устройствами принудительного отключения контакторов магнитных пускателей при отключении напряжения питания со стороны комплектной трансформаторной подстанции шахтного участка.

214


SA1

W2

КМ1

SA2

SF1

W1

R Споживач Потребитель №1 №1

АЗ БЗВ БЗО

К КМn

БЗО

БЗВ

БКЗ

SFn

Wn

R Споживач Потребитель №1 №n БЗВ БЗО

БЗО – блок защитного отключения; К – компенсатор ёмкости изоляции сети; БКЗ – блок короткозамыкателей повреждённой фазы

КМ2.1

W2s.1

БЗО БЗВ

КМ2.2

Станція управління двошвидкісним СУДП приводом

W2s.2

Двухскоростной ДвошвидкіснийАД АД

CУДП – станция управления двухскоростным электроприводом

Рисунок 5.22 – Обобщённая схема электротехнического комплекса шахтного участка при использовании отделения от сети энергетических потоков асинхронных двигателей 215


ВЫВОДЫ

В монографии отражено решение важной научно-технической проблемы повышения эффективности функционирования шахтных участковых электротехнических комплексов на основе развития теории и методов определения параметров их аварийных и опасных состояний и принципов совершенствования их защит с учётом тенденций повышения мощности рудничных электромеханических установок. Анализ процессов в шахтных участковых электросетях с учётом свойств технических средств защиты от аварийных и опасных состояний позволяет сделать взвод, что их защитной функцией является автоматическое отключение напряжения питания сети участкового электротехнического комплекса путём отделения энергетического потока питающей комплектной трансформаторной подстанции. С целью повышения быстродействия защиты от электропоражения, с учётом тенденции перевода участковых электросетей на повышенные уровни номинального напряжения защитная функция дополнительно реализуется замыканием на землю поврежденной фазы через активное сопротивление малой величины в процессе отключения сети при возникновении цепи утечки тока на землю. Этот эффект распространяется на все силовые присоединения, гальванически связанные с выходными зажимами питающей комплектной трансформаторной подстанции. Электротехнический комплекс шахтного технологического участка содержит асинхронные двигатели разных мощностей и является многомашинным. В случае возникновения аварийного или опасного состояния автоматическое отключение напряжения электропитания нельзя считать достаточной защитной функцией вследствие не прекращения воздействия обратных энергетических потоков асинхронных двигателей. Учитывая тенденции повышения мощностей электромеханического технологического оборудования шахтных участков, следует предусматривать усиление факторов опасности, создаваемых обратными энергетическими потоками асинхронных двигателей вследствие увеличения постоянных времени обратных ЭДС, ёмкостей изоляции кабелей участковой электросети; применения напряжения повышенного номинального уровня. Попытка применения защиты с функцией "опережающего" обесточивания сети электротехнического комплекса шахтного участ216


ка (по отношению к моменту возникновения взрыва метановоздушной смеси) доказала неприемлемость подчинения срабатывания устройства отделения от сети обратной ЭДС асинхронного двигателя управляющему воздействию внешней централизованной защиты и целесообразность создания автономно действующих средств защитного отключения обратных энергетических потоков асинхронных двигателей в условиях возникновения утечек тока на землю, междуфазных коротких замыканий и дугообразований. Анализом структуры шахтного участкового электротехнического комплекса и характера воздействия переходных процессов при возникновении динамических состояний его структурных составляющих доказана целесообразность применения усовершенствованных методов исследования, основанных на учёте динамических состояний всех структурных составляющих объекта в процессе их взаимодействия путём представления системами дифференцирующих уравнений с учётом воздействия энергетических потоков всей совокупности источников, состояний и стохастического характера отключения средств коммутации силовых присоединений. Установлено, что реакцией реагирующего органа аппарата защиты от утечек тока на землю (АЗ) на процесс контакторной коммутации силового присоединения является кратковременное повышение амплитуды оперативного параметра. В сети с ёмкостью изоляции, превышающей допустимые нормативные показатели (С>1,0 мкФ/фазу) при коммутации присоединения с ёмкостью изоляции 0,25 мкФ/фазу и более амплитуда выходного параметра реагирующего органа АЗ имеет тенденцию существенного увеличения, что повышает вероятность ложного срабатывания защиты. В условиях применения электрооборудования повышенной мощности, с учётом вероятности использования кабельной сети с увеличенными ёмкостями изоляции целесообразно согласование параметров коммутационных процессов с параметрами устойчивости АЗ против ложных срабатываний. Установлены свойства энергетического обмена между асинхронными двигателями во время выбега при стохастическом отключении коммутационных аппаратов силовых присоединений. Определены условия превышения током и количеством электричества, создаваемыми обратными ЭДС двигателей в цепи утечки на землю, нормируемых величин по критерию обеспечения электробезопасности. Указанные параметры находятся в функциональной зависимости от сопротивлений изоляции кабельной сети, электрически связанной с 217


цепью утечки тока на землю, электрических параметров (обобщённые активное сопротивление и индуктивность) и моментов сопротивления асинхронных двигателей, создающих обратные ЭДС, направленные на цепь утечки тока на землю. С целью ускорения обесточивания места короткого замыкания, междуфазного дугообразования, места возникновения цепи утечки тока на землю обоснована целесообразность защитного отделения от сети энергетических потоков АД потребителей техническими средствами при их функционировании непосредственно в присоединениях статоров асинхронных двигателей и при отсутствии их подчинения управляющему воздействию внешней защиты. С учётом защитного отключения участковой сети при возникновении её опасного состояния средствами защитного отделения энергетического потока питающей трансформаторной подстанции это позволяет реализовать функцию автоматического двустороннего защитного обесточивания шахтной участковой сети. Установлено, что приемлемым и достаточным способом выявления аварийного состояния в кабеле электропитания асинхронного двигателя является измерение информационного сигнала в дополнительной цепи, образованной последовательным присоединением ёмкости между активными сопротивлениями, подключенными к фазам сети, и диодом, катод которого присоединён к контуру "земля" (заземленного металлического корпуса двигателя) при условии обязательного применения в качестве питающих – шахтных гибких экранированных кабелей с заземлением заземляющей жилы. Это техническое решение обеспечивает: - поддержание режима изолированной нейтрали сети в продолжительном режиме её эксплуатации; - отсутствие воздействия на параметры защиты от утечек тока на землю; - ограничение количества электричества в цепи утечки тока на землю на нормативно определённом уровне. В качестве средства отделения обратного энергетического потока асинхронного двигателя в условиях шахты целесообразно применять разъединение трёхфазной схемы статора, либо её отключение от кабеля электропитания. Доказана возможность и предложена техническая реализация: 218


- ускорения выявления междуфазного короткого замыкания в шахтной участковой электросети на основе измерения продолжительности прохождения током двух фиксированных уровней; - защиты от междуфазного дугообразования в силовом присоединении за счёт применения двустороннего защитного обесточивания на основе управления уставкой срабатывания токовой защиты со стороны участковой комплектной трансформаторной подстанции и выявления отличия величин токов в составляющих цепи "звезда" статора асинхронного двигателя аварийного присоединения; - принудительного отключения контактора пускателя в качестве дополнительного способа повышения безопасности эксплуатации шахтного участкового электротехнического комплекса. Установлены параметры, которые в совокупности обусловливают потенциальную опасность электропоражения в силовом присоединении отключенного статора работающего двухскоростного асинхронного двигателя и предложена техническая реализация защиты от электропоражения в этом присоединении на основе его связи с контуром оперативного тока устройства защиты от утечек тока на землю, действующего со стороны трансформаторной подстанции участка при использовании автономно действующего устройства выявления цепи повышенной проводимости между фазой и контуром "земля", действующего со стороны статорной обмотки. Этим создаётся возможность синхронного двустороннего обесточивания сети в случае возникновения утечки тока на землю в присоединении отключенного статора работающего двухскоростного асинхронного двигателя. Доказана рациональность применения технического средства токоограничения процесса отключения тока короткого замыкания сети на основе соединения вторичных фазных обмоток трансформатора КТП в трёхфазную схему путём подключения их ко входам мостового выпрямителя, нагруженного плавким предохранителем либо соединёнными параллельно размыкающим контактом и токоограничивающим резистором.

219


ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК

1. Маренич К.М. Розвиток теорії і принципів побудови засобів захисного знеструмлення сучасних рудникових електротехнічних комплексів: дис. … докт. техн. наук: 05.09.03 / Маренич Костянтин Миколайович. – Донецьк, 2014.–266 с. 2. Правила технічної експлуатації електроустановок споживачів. Затв. 25.07.2006 № 258/ Міністерство палива та енергетики України. Х. Індустрія. 2007. – 272 с. 3. Правила безопасности в угольных шахтах. ДНАОП 10.0-1.0110.- Харьков: ФОРТ, 2010.- 256 с. 4. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей. Гл.Э 3.2 Электроустановки во взрывоопасных зонах. Главэнергонадзор.- М.: Энергоатомиздат, 1990.- 32 с. 5. Колосюк В.П. Техника безопасности при эксплуатации рудничных электроустановок / В.П. Колосюк.- М.: Недра, 1987.- 407 с. 6. Дзюбан В.С. Взрывозащищенные аппараты низкого напряжения / В.С. Дзюбан. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с. 7. Півняк Г.Г. Системи ефективного енергозабезпечення вугільних шахт / [Півняк Г.Г., Шкрабець Ф.П., Заїка В.Т., Разумний Ю.Т.]; під ред. Г.Г. Півняка. – Дніпропетровськ: НГУ, 2004. – 206 с. 8. Berryann R.J. Evolution of Longwall Mining and Control Systems in the United States [Electronic resource] / R.J. Berryann, J.A. Voelker // Mine Safety and Health Administration, Division of Electric Safety. – Triadelphia, West Virginia, 2005. – Mode of access: www.msha.gov/s&hinfo /techrpt/electrical/lwcntrl.pdf. - Title from the screen. 9. Groh H. Explosion protection: electrical apparatus and systems for chemical plants, oil and gas industry, coal mining / Heinrich Groh. – Amsterdam; London: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2004 – 524 p. 10. Saccomanno F. Electric Power Systems: analysis and Control / F. Saccomanno. – Wiley-IEEE Press, 2003. – 744 p. 11. Meier A.V. Electric Power Systems: A Conceptual Introduction / A.V. Meier. – Wiley-IEEE Press, 2006. – 328 p. 12. Справочник энергетика угольной шахты: в 2 т. / [Дзюбан В.С., Ширнин И.Г., Ванеев Б.Н., Гостищев В.М.]; под ред. Б.Н. Ва220


неева. − [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. 13. 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. 14. 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. 15. 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. 16. 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. 17. Ковач К.П. Переходные процессы в машинах переменного тока / К.П. Ковач, И. Рац. – М.–Л.: Госэнергоиздат, 1963. – 744 с. 18. Дзюбан В.С. Аппараты защиты от токов утечки в шахтных электрических сетях / В.С. Дзюбан. – М.: Недра, 1982. – 152 с. 19. Риман Я.С. Защита подземных электрических установок угольных шахт / Я.С. Риман – М.: Недра, 1977 – 206 с. 20. Дзюбан В.С. Об электромагнитной постоянной времени затухания обратной э. д. с. шахтных электродвигателей / В.С. Дзюбан, Я.С. Риман // Взрывобезопасное электрооборудование: труды ВНИИВЭ. − 1969. − Вып. VI. − С. 196−207. 21. Озерной М.И. Переходные процессы в шахтной участковой сети при коммутации асинхронных короткозамкнутых электродвигателей / М.И. Озерной, В.М. Фарович // Горный журнал. − 1969. − №3. − С.136−141. 22. 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. − 240 с. 23. El-Hawary M.E. Electric Power systems: Design and analysis / M.E. El-Hawary. – Wiley-IEEE Press, 2009. – 808 p. 24. Голоднов Ю.М. Самозапуск электродвигателей / Ю.М. Голоднов. − 2−е изд., М.: Энергоатомиздат, 1985. − 136 с. 221


25. Маренич К.Н. Проблематика электробезопасности системы "кабель-двигатель" участка шахты / К.Н. Маренич // Наукові праці Донецького державного технічного університету, серія гірничоелектромеханічна. − 2001. − Вип. 27. − С. 270-277. 26. Колосюк В.П. Защитное отключение рудничных электроустановок / В.П. Колосюк – М.: Недра, 1980. – 334 с. 27. Ягудаев Б.М. Защита от электропоражения в горной промышленности / Б.М. Ягудаев, Н.Ф. Шишкин, В.В. Назаров. – М.: Недра, 1982. – 152 с. 28. Marenych K. Theoretical research into motor back EMF influence on emergency state in the electrotechnical complex of mine section / Marenych K., Vasylets S., Kovalyova I. // Proceedings of Donetsk National Technical University. - No 1. - 2010. – p.p. 81-87. 29. Маренич К.М. Зворотні енергетичні потоки двигунів як фактор погіршення безпеки експлуатації електротехнічного комплексу дільниці шахти / К.М. Маренич, С.В. Василець // Наук. праці Донецького нац. техн. ун-ту. Серія "Електротехніка і енергетика", випуск 9 (158). – Донецьк: ДВНЗ "ДонНТУ", 2009. – С. 160-165. 30. Маренич К.М. Спільна робота двигунів як фактор формування зворотнього енергетичного потоку в дільничній електромережі шахти / К.М. Маренич, С.В. Василець // Взрывозащищённое электрооборудование: сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО "АИР", 2010. – С.231-241. 31. Маренич К.М. Структура та дослідження математичної моделі процесів при виникненні струму витоку на землю в електротехнічному комплексі дільниці шахти / К.М. Маренич, С.В. Василець // Наук. праці ДонНТУ. Серія "Обчислювальна техніка та автоматизація", вип. 18 (169). - Донецьк: ДВНЗ "ДонНТУ", 2010. – С.141-151. 32. Сивокобыленко В.Ф. Математическое моделирование асинхронной нагрузки в режимах группового выбега и самозапуска / В.Ф. Сивокобыленко, В.К. Лебедев, К.А. Кукуй // Сб. научн. трудов ДонНТУ. Серия: электротехника и энергетика. – Донецк: ДонНТУ, 2002. – Вып. 41. – С. 28-34. 33. Маренич К.Н. Исследование процессов в участковой электросети при групповом выбеге асинхронных двигателей / К.Н. Маренич, С.В. Василец // Гірнича електромеханіка та автоматика. – 2005.– Вип. 74.– С. 30-36. 34. Андреев В.П. Основы электропривода / В.П. Андреев, Ю.А. Сабинин – М.–Л.: Госэнергоиздат, 1963. – 209 с. 222


35. Маренич К.М. Зворотні енергетичні потоки асинхронних двигунів як фактор небезпеки в електромережі шахти: монографія /К.М. Маренич, С.В. Василець.- Донецьк, ДВНЗ "ДонНТУ", 2012.206 с. 36. Маренич К.М. Властивості силового електроустаткування технологічної дільниці в контексті створення експлуатаційних небезпек / К.М. Маренич // Холодильна техніка і технологія. Науковотехнічний журнал №1 (141). Одеса, Одеська державна академія холоду, 2013.- С. 80-84. 37. Справочник по электроустановкам угольных предприятий / [В.В. Дегтярев, В.И. Серов, Г.Ю. Цепелинский]; под ред. В.В. Дегтярева. − М.: Недра, 1988. – 727 с. 38. Маренич К.М. Нова концепція керування захисним відключенням низьковольтної електричної мережі дільниці шахти / К.М. Маренич // Вісник Вінницького політехнічного інституту №6, Вінниця, ВДТУ, 2001.- С.104-107. 39. 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. 40. 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. 41. Маренич К.Н. Обоснование структуры модели процесса короткого замыкания в низковольтной электросети участка шахты / К.Н. Маренич, И.В. Ковалёва // Наукові праці Донецького національного технічного університету, серія гірничо-електромеханічна. − Донецьк: ДонНТУ, 2006. − Вип. 12(113). − С.179-185. 42. Маренич К. Н. Моделирование процесса короткого замыкания в низковольтном электротехническом комплексе участка шахты с учетом влияния электропотребителя / К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва // Наукові праці Донецького національного технічного університету, серія електротехніка і енергетика. − Донецьк: ДонНТУ, 2007. − Вип. 7(128). − С.146-149. 43. Маренич К.М. Наукові основи впровадження автоматичного захисного двобічного знеструмлення шахтної дільничної електромережі: монографія/ К.М. Маренич, І.В. Ковальова.- Донецьк, ДВНЗ "ДонНТУ", 2012.- 125 с. 223


44. Электробезопасность в горнодобывающей промышленности / [Гладилин Л.В., Щуцкий В.И., Бацежев Ю.Г., Чеботаев Н.И.] – М.: Недра, 1986. - 364 с. 45. Вареник Є.О. Забезпечення безпеки та ефективності шахтних електроустановок / Є.О. Вареник, С.І. Випанасенко, В.С. Дзюбан, Н.А. Шидловська, Ф.П. Шкрабець, за ред. акад. НАН України Г.Г. Півняка.- Дніпропетровськ: НГУ, 2004.- 334 с. 46. Лейбов Р.М. Взрывобезопасное реле утечки типа РУВ / Р.М. Лейбов. – М.: Углетехиздат, 1953. – 32 с. 47. Лейбов Р.М. Электрификация подземных горных работ / Р.М. Лейбов, М.И. Озерной. – М.: Недра, 1972. – 464 с. 48. 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. 49. Дзюбан В.С. Справочник энергетика угольной шахты / В.С. Дзюбан, Я.С. Риман, А.К. Маслий – М.: Недра, 1983. – 542 с. 50. Вареник Є.О. Забезпечення безпеки та ефективності шахтних електроустановок / [Є.О. Вареник, С.І. Випанасенко, В.С. Дзюбан, Н.А. Шидловська, Ф.П. Шкрабець]; під ред. Півняка Г.Г.- Дніпропетровськ: НГУ, 2004. – 334 с. 51. Электроснабжение угольных шахт / [С.А. Волотковский, Ю.Т. Разумный, Г.Г. Пивняк и др.]. – М.: Недра, 1984. – 376 с. 52. Математичне моделювання електромагнітних процесів передачі енергії: навчальний посібник [для студентів вузів] / [Г.Г Півняк, М.Г. Поляков, А.Я. Рибалко, С.О. Сушко]; під ред. Г.Г. Півняка. – Дніпропетровськ: НГУ, 2003. – 145 с. 53. 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. 54. Аппараты защиты от токов утечки рудничные для сетей напряжением до 1200 В. Общие технические условия: ГОСТ 2292978. С изменениями согласно ИУС 11-80, 7-81, 11-83. Соответствует СТ СЭВ 2309-80. – [Вступил в силу 01.01.79]. – М.: Издательство стандартов, 1978. – 13 с. – (Межгосударственный стандарт). 55. Система стандартов безопасности труда. Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновений и токов: ГОСТ 12.1.038-82, М.: Госстандарт СССР, 5 с. 224


56. Товстик Ю.В. Моделирование сопротивления тела человека при определении токо-временных параметров устройств защитного отключения / Ю.В. Товстик // Наукові праці Донецького національного техн. університету, серія "Обчислювальна техніка та автоматизація". − Донецьк: ДонНТУ, 2010. − Вип. 18(169). − С.152-158. 57. Маренич К.М. Діалектика удосконалення засобів захисного знеструмлення кола витоку струму на землю в шахтній дільничній електромережі / К. М. Маренич // Наукові праці Донецького національного технічного університету, серія гірничо-електромеханічна. − Донецьк: ДонНТУ, 2012. − Вип. 2(24)’2012. − С.165-174. 58. Цапенко Е.Ф. Электробезопасность на горных предприятиях: учеб. пособие /Е.Ф. Цапенко, С.З. Шкудин.- М.: Изд-во Московского гос. горного университета, 2001.- 103 с. 59. 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. 60. 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. 61. Аппарат защиты от токов утечки унифицированный рудничный АЗУР-4МК. Руководство по эксплуатации / ИТЭП.648513.004.РЭ, 2013.- 28 с. http://itep.com.ua/ 62. Савицкий В.Н. Защита от токов утечки в комбинированных распределительных сетях угольных шахт / В.Н. Савицкий, Н.И. Стадник. - 13 с. http://ukrniive.com.ua/ru/article/current_leakage.htm. 63. 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. 64. Шидловский А.К. Эффективные режимы работы электротехнических комплексов/А.К. Шидловский, Г.Г. Пивняк, С.И. Выпанасенко и др.- Днепропетровск: НГА Украины, 2000. – 184 с. 65. Киампо Е.М. Токи утечки в комбинированной электрической сети горных машин / Е.М. Киампо, В.А. Коровкин // Известия вузов. Горный журнал.- 1986.- №2.- С.97-99. 225


66. Белошистов А.И. Проблемы защиты от утечек тока на землю распределительных сетей угольных шахт, содержащих силовые полупроводниковые элементы // А.И. Белошистов, В.Н. Савицкий Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО "Юго-Восток, Лтд", 2004. – С. 78-83. 67. Колосюк В.П. Токи утечки на землю в системе электроснабжения комбайнов с регулируемым приводом / В.П. Колосюк, Ю.В. Товстик // Уголь Украины. – 2005. – № 6. – С. 35-39. 68. Danfoss, VLT6000 HVAC, Design guide SW2.5, 2005.- 202 p. 69. S. Kwak, H.A. Toliyat. A Hybrid Converter System for High Performance Large Induction Motor Drives, IEEE Proc. APEC'04, vol.1, 2004. 70. Дубінін С.В. Автокомпенсація ємнісних струмів витоку на землю в мережі з перетворювачем частоти конвертуванням негативного опору: монографія / С.В. Дубінін, К.М. Маренич.- Донецьк: ДВНЗ "ДонНТУ", 2013.- 104 с. 71. Дубинин М.С. Исследование влияния LC-фильтра на емкостной ток утечки на землю в шахтной участковой сети с преобразователем частоты М.С. Дубинин. - Міжнар. конференція "Форум гірників-2007". Дніпропетровськ, НГУ, 2007. - С. 236-240. 72. Макаренко Н.П. Сетевые преобразователи электроэнергии комплексов технических средств промышленных предприятий Н.П. Макаренко // Вісник УБЕНТЗ.-1999.-№1.- С. 13 - 17. 73. Дзюбан В.С. Требования к взрывозащищённому электрооборудованию в системах электроснабжения горных машин на напряжение 3 (3,3) кВ / В.С. Дзюбан, Н.М. Басов // Взрывозащищённое электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО "АИР", 2009. – С.209-213. 74. Дзюбан В.С. Вплив параметрів дільничної електромережі шахти на стійкість роботи апарата АЗУР-5 при комутації кабельного відгалуження / В.С. Дзюбан, А.В. Горохов, С.А. Руссіян // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту. Випуск 21 (189), серія гірничоелектромеханічна. – Донецьк: ДонНТУ, 2011. – С. 59-64. 75. Выключатели автоматические А3790. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ОБЕ.140.010.ТО http://www.pec.by/content/files/_a3790u/a3790_to_ie.pdf 76. Классификация и маркировка рудничного электрооборудования http://leg.co.ua/info/spravka/klassifikaciya-i-markirovkarudnichnogo-elektrooborudovaniya.html 226


77. 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. 78. 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. – 3 с.: іл. 79. Шишкин Н.Ф. Быстродействующая защита шахтных сетей от замыкания на землю /Н.Ф. Шишкин – М.: Госгортехиздат,1960.– 53 с. 80. 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. 81. Шишкин Н.Ф. Основные направления электрификации современных шахт / Н.Ф. Шишкин, В.Ф. Антонов – М.: Наука, 1981. – 116 с. 82. 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: http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/z0398-10. 83. Van Der Sluis L. Transients in power systems / Lou Van Der Sluis. – John Wiley&Sons, 2001. – 207 p. 84. Greenwood A. Electrical transients in power systems / Allan Greenwood. – Wiley-Interscience, 1991. – 768 p. 85. Маренич К.М. Експериментальне визначення властивостей схеми засобу автоматичного захисту від витоків струму на землю щодо реакції на вплив комутаційного перехідного процесу / К.М. Маренич // Наукові праці Донецького національного технічного університету, серія "Обчислювальна техніка та автоматизація". – Донецьк: ДонНТУ, 2013. – Вип. 1(24)’2013. – С.32-37. 86. Руссіян С.А. Дослідження впливу перехідних процесів на стійкість схеми апарата "АЗУР" проти хибного спрацьовування методами математичного моделювання / С.А. Руссіян, К.М. Маренич // Взрывозащищённое электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: 2011. – С. 62-77. 87. Дзюбан В.С. Математические модели устройств защиты от токов утечки в шахтных электрических сетях /В.С. Дзюбан, Е.А. Вареник //Сб. научн. трудов УкрНИИВЭ.- Донецк, Юго-Восток, 2004. 227


88. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхронного электропривода / [Л.П. Петров, О.А. Андрющенко, В.М. Капинос и др.]. - М.: Энергоатомиздат, 1986.- 200 с. 89. Маренич К.Н. Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммутаторами / К.Н. Маренич. – Донецк: ДонГТУ, 1997. - 64с. 90. Маренич К.Н. Исследование влияния преобразователя частоты на параметры электробезопасности отходящего присоединения в сети участка шахты / К.Н. Маренич, С.А. Руссиян, М.С. Дубинин // Взрывозащищённое электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО "АИР", 2009. – С. 221-227. 91. Маренич К.Н. Процессы в системе "тиристорный коммутатор – асинхронный двигатель" при фазовом и квазичастотном регулировании напряжения / К.Н. Маренич // Преобразование параметров электрических и технологических установках. Сб. научн. тр. Ин-т электродинамики АН УССР, Киев 1991, - С. 57-63. 92. Маренич К.М. Способы предупреждения неустойчивых состояний асинхронного тиристорного электропривода горной машины / К.М. Маренич // Известия высших учебных заведений. Горный журнал № 3, март 1994. - Днепропетровск, 1994. – С. 126-129. 93. Маренич К.М. Питання стійкості систем "тиристорний комутаційний апарат - асинхронний мотор" під час фазового регулювання напруги/ К.М. Маренич // Теорія та моделі пристроїв вимірювальної і перетворювальної техніки. Сб. наук. пр. Інститут електродинаміки. НАН України, Київ, 1993. - С. 35-39. 94. Маренич К.М. Дослідження умов порушення стійкості системи "тиристорний регулятор напруги – асинхронний двигун" при керуванні пуском електропривода / К.М. Маренич, С.А. Руссіян // Зб. наук. пр. Інституту електродинаміки. НАН України, Вип. 28, Київ, 2011.- С. 96-102. 95. Браславский И.Я. Асинхронный полупроводниковый электропривод с параметрическим управлением / И.Я. Браславский. - М.: Энергоатомиздат. 1988.- 224 с. 96. Маренич К.М. Обґрунтування принципу удосконалення способу уповільнення пуску асинхронного електропривода гірничої машини / К.М. Маренич, С.А. Руссіян // Гірнича електромеханіка та автоматика. Вип. 84.– Дніпропетровськ: ДГУ, 2010. – С. 160-167. 97. Патент на винахід 101843 (UA), МПК8 Н02М7/00. Спосіб управління тиристорним регулятором напруги в пристрої уповіль228


нення пуску асинхронного двигуна / К.М. Маренич, С.А. Руссіян. – № а 2011 01024. Заявл. 31.01.2011. Опубл. 13.05.2013. Бюл. 9. – 3 с.: іл. 98. Товстик Ю.В. Уточнение методологии оценки опасности поражения человека электрическим током в шахтной участковой электросети с учётом воздействия ЭДС вращения двигателя / Ю.В. Товстик, К.Н. Маренич // Наукові праці Донецького національного технічного університету, серія гірничо-електромеханічна. − Донецьк: ДонНТУ, 2013. − Вип. 2(26). − С.126-136. 99. Маренич К.М. Математичне моделювання асинхронного електродвигуна як об’єкта електротехнічного комплексу дільниці шахти / К.М. Маренич, С.В. Василець // Вісник Національного університету водного господарства та природокористування. − Рівне: НУВГП, 2007. − Вип. 4(40), част. 3. − С. 132-139. 100. Маренич К.М. Обґрунтування ефективності нейтралізації зворотної ЕРС двигунів як способу підвищення безпеки експлуатації електротехнічного комплексу дільниці шахти / К.М. Маренич, С.В. Василець // Технічна електродинаміка. К −2009. −№2. − С. 42-47. 101. Mulukutla S Sarma electric machines: steady-state theory and dynamic performance / Mulukutla S Sarma. CL-Engineering, 1994. – 672 p. 102. Boldea I. Electric machines: steady state, transients, and design with MATLAB / Ion Boldea, Lucian Nicolea Tutelea. – CRC Press, 2009. – 797 p. 103. Маренич К.Н. Исследование влияния ЭДС вращения группы двигателей в режиме выбега на величину тока утечки в электросети участка шахты / К.Н. Маренич, С.В. Василец // Наукові праці Донецького нац. техн. університету, серія гірнично-електромеханічна. − Донецьк: ДонНТУ, 2004. − Вип. 83. – С. 303-308. 104. Маренич К.М. Аналіз енергетичних співвідношень у електротехнічному комплексі дільниці шахти під час групового вибігу електродвигунів споживачів / К.М. Маренич, С.В. Василець // Взрывозащищённое электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО "Юго−Восток, Лтд", 2007. − С. 137-142. 105. Сивокобиленко В.Ф. Математичне моделювання групового вибігу електродвигунів споживачів технологічної дільниці шахти / В.Ф. Сивокобиленко, К.М. Маренич, С.В. Василець // Наукові праці Донецького нац. техн. університету, серія гірнично-електромеханічна. −Донецьк: ДонНТУ, 2005. − Вип. 101. − С. 103-110. 229


106. Маренич К.М. Автоматичне гасіння зворотної ЕРС двигунів споживачів електротехнічного комплексу дільниці шахти як спосіб підвищення безпеки експлуатації / К.М. Маренич, С.В. Василець // Наукові праці Донецького національного технічного університету, серія "Обчислювальна техніка та автоматизація". – Донецьк: ДонНТУ, 2011. – Вип. 20(182). – С. 50-57. 107. Маренич К.М. Обґрунтування ефективності гасіння електрорушійної сили вибігу двигунів як способу підвищення безпеки дільничного електротехнічного комплексу / К.М. Маренич, С.В. Василець // Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Щоквартальний науково-виробничий журнал. - Кременчук: КрНУ, 2012.- Вип. 4/2012 (20).- С.54 – 56. 108. Маренич К.М. Обґрунтування доцільності примусового відключення контактора магнітного пускача в процесі захисного знеструмлення дільничної електромережі шахти / К. М. Маренич // Наукові праці Донецького нац. техн. ун-ту, серія гірничо-електромеханічна. − Донецьк: ДонНТУ, 2013. − Вип. 1(25)’2013. − С.130-137. 109. А. с. 1494103 СССР, МПК5 Н02Н7/08. Устройство для максимальной токовой защиты электродвигателей / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, С.В. Дзюбан (СССР). − № 4300883/24-07. Заявл. 02.06.87. Опубл. 15.07.89. Бюл. № 26. – 3 с.: іл. 110. А. с. 1453513 СССР, МПК4 Н02Н73/08. 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. – 5 с.: іл. 111. Маренич К.М. Математичне моделювання короткого замикання в живлячому кабелі електротехнічного комплексу дільниці шахти / К. М. Маренич, І. В. Ковальова // Наукові праці Донецького національного технічного університету, серія гірничо-електромеханічна. − Донецьк: ДонНТУ, 2011. − Вип. 21(189). − С.126-136. 112. Маренич К.М. Обґрунтування інформаційного параметру для запровадження автоматичного відокремлення зворотних енергетичних потоків промислових електромереж / К.М. Маренич // Науковий вісник Чернівецького університету. Комп’ютерні системи та компоненти. Т.4, вип.1, Чернівці, ЧНУ, 2013.- 101-106. 113. Патент на корисну модель 48268 (UA), МПК (2009) Н02Н 3/00 Спосіб захисту від струмів короткого замикання в мережі 230


живлення асинхронного двигуна / К.М. Маренич, І. В. Ковальова. − u 2009 09863. Заявл. 28.09.2009. Опубл. 10.03.2010. Бюл. №5. – 3 с.: іл. 114. А. с. 1564344 СССР, МПК5 Е21С35/24. Устройство для защиты горной машины от динамических перегрузов / И.Т. Сидоренко, К.Н. Маренич, В.С. Бакуменко (СССР). − № 4395115/31-03; заявл. 21.03.88. Опубл. 15.05.90. Бюл. №18.- 3 с.: іл. Маренич К. Н. Синхронное двустороннее обесточива115. ние поврежденного участка кабеля шахтной участковой электросети / К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва // Уголь Украины: научный журнал. – Киев, 2011. – Вып. №5. – С.53-54. 116. 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. − а 2010 13816. Заявл. 22.11.2010. Опубл. 25.08.2011. Бюл. №16. – 4 с.: іл. 117. Маренич К.М. Дослідження процесів у дільничній електромережі шахти при застосуванні засобу синхронного двобічного знеструмлення місця пошкодження кабелю / К.М. Маренич, І. В. Ковальова // Гірнича електромеханіка та автоматика: науково-техн. збірник. − Дніпропетровськ: НГУ, 2010. − Вип. 85. − С. 3-11. 118. Патент на корисну модель 71661 (UA), МПК (2012.01) Н02Н 3/00 Пристрій захисту від впливу зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна на точку короткого замикання в кабелі живлення / І.О. Лагута, І.В. Ковальова, К.М. Маренич. − u201114935. Заявл. 16.12.2011. Опубл. 25.07.2012. Бюл. №14. – 5 с.: іл. 119. Патент на винахід 103934 (UA), МПК (2006.01) Н02Н 3/02; Н02Н 3/10 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. − а 2012 01369. Заявл. 09.02.2012. Опубл. 10.12.2013. Бюл. №23. – 5 с.: іл. 120. Маренич К.М. Автоматичний захист електроустаткування шахт від аварійних станів і небезпек: навч. посібн. для вищ. навч. закл. / К.М. Маренич, І.В. Ковальова.- Донецьк, ДонНТУ, 2013.-209 с. 121. Маренич К.М. Удосконалення засобу відокремлення зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна / К.М. Маренич, І.В. Ковальова // Наукові праці ДонНТУ. Випуск 1(12)-2(13), серія "Електротехніка і енергетика". - Донецьк: ДонНТУ, 2012. - С. 166-171. 231


122. Ковальова І.В. Вплив комутаційного перехідного процесу на параметри спрацьовування засобу захисного знеструмлення електромережі шахтної дільниці/ І.В. Ковальова, К.М. Маренич // Наукові праці Донецького держ. техн. ун-ту. Серія гірничо-електромеханічна. Вип. 1(27)’2014.- Донецьк ДонНТУ, 2014.- С.123-129. 123. Патент на винахід 82111 (UA), МПК (2006) Н02Н 3/16 Спосіб захисту людини від ураження електричним струмом в мережі з ізольованою нейтраллю / К.М. Маренич, С. В. Василець. − а 2006 00387. Заявл. 16.01.2006. Опубл. 11.03.2008. Бюл. №5. – 4 с. : іл. 124. Маренич К.Н. Об актуальности применения контакторов серии SPVC в схеме трансформаторной подстанции участка шахты / К.Н. Маренич // Наук. праці Донецького нац. техн. ун-ту, серія гірничо-електромеханічна. − Донецьк: ДонНТУ,2002.−Вип. 42.− С.173-177. 125. Маренич К.М. Двофазне коротке замикання на виході тиристорного регулятора напруги промислової електромережі як об’єкт дослідження / К.М. Маренич // Збірник наук. праць Донецького інституту залізничного транспорту Української державної академії залізничного транспорту. Випуск 33. - Донецьк, 2013. - С. 146-151. 126. Ешан Р.В. Исследование короткого замыкания в электротехническом комплексе с тиристорным регулятором напряжения методами математического моделирования /Р.В. Ешан, К.Н. Маренич // Праці Луганського відділення Міжнародної академії інформатизації №2(17), Луганськ, 2008.- С.27-31. 127. Маренич К.М. Визначення терміну проходження струмом двох фіксованих рівнів як спосіб прискорення функції максимального струмового захисту / К.М. Маренич // Наук. праці Донецького нац. техн. ун-ту, серія "Обчислювальна техніка та автоматизація". – Донецьк: ДонНТУ, 2013. – Вип. 2(25)’2013. – С.27-33. 128. А. с. 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.- 4 с.: іл. 129. 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. – 4 с.: іл. 232


130. Патент на винахід 97592 (UA), МПК (2006.01) Н02Н 3/10 Н02Н 7/08 Спосіб струмового захисту в мережі живлення асинхронного двигуна в складі гірничого дільничного електротехнічного комплексу / К.М. Маренич, І. В. Ковальова, С.В. Василець. − а 2010 15324816. Заявл. 20.12.2010. Опубл. 27.02.2012. Бюл. №4. – 4 с.: іл. 131. 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. 132. Патент на винахід 102285 (UA), МПК (2013.01) Н02Н 3/00 Пристрій контакторної комутації асинхронного двигуна в електромережі технологічної дільниці / К.М. Маренич, І. В. Ковальова. − а 2011 09048. Заявл. 19.07.2011. Опубл. 25.06.2013. Бюл. №12.- 4 с.: іл. 133. Маренич К.Н. Анализ параметров эксплуатационной безопасности двухскоростного асинхронного двигателя шахтного скребкового конвейера/ К.Н. Маренич // Наукові праці Донецького держ. технічного університету. Серія гірничо-електромеханічна. Вип. 35, Донецьк ДонНТУ, 2001.- С.127-131. 134. Взрывозащищённые асинхронные двигатели: выбор, эксплуатация и ремонт / В.В. Каика, Т.В. Швецова, А.И. Аниканов и др. ; под общ. ред. В.В. Каики.- Донецк: Юго-Восток, 2010.- 360 с. 135. Маренич К.М. Захист від електроураження в приєднанні відключеного статора працюючого двошвидкісного асинхронного двигуна / К.М. Маренич // Наукові праці Донецького національного технічного університету, серія "Електротехніка та енергетика". – Донецьк: ДонНТУ, 2013. – Вип. 1(14). – С.183-188. 136. Патент на винахід 103735 (UA), МПК (2013.01) Н02Н 3/00; Н02Н 3/02 (2006.01) Пристрій визначення стану витоку струму на землю в мережі двошвидкісного асинхронного двигуна / К.М. Маренич, І. В. Ковальова. − а 2012 14770. Заявл. 24.12.2012. Опубл. 11.11.2013. Бюл. №21.- 4 с.: іл. 137. Патент на винахід 106182 (UA), МПК Н01F 27/28; Н02Н 7/04 (2006.01) Трифазний трансформатор напруги / К.М. Маренич, І. В. Ковальова, О.К. Маренич − а 2013 13096. Заявл. 11.11.2013. Опубл. 25.07.2014. Бюл. №14.- 4 с.: іл.

233


МАРЕНИЧ Костянтин Миколайович

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ТА ПРИНЦИПИ ЗАСТОСУВАННЯ ЗАХИСНОГО ЗНЕСТРУМЛЕННЯ РУДНИКОВИХ ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНИХ КОМПЛЕКСІВ

Монографія (російською мовою)

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

Підписано до друку 19.06.2015 г. Формат 60×841/32. Папір крейдований. Гарнітура"Newton". Друк – лазерний. Обл.-вид. л. 10,5. Ум. друк. арк. 10,23. Замовлення №2469. 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 234


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

Основой монографии является диссертация профессора К. Н. Маренича «Развитие теории и принципов построения средств защитного обесточивания современных рудничных электротехнических комплексов» на соискание учёной степени доктора технических наук ( защищена 22.04.2014 г.) Монография содержит обоснование метода математического моделирования переходных процессов в шахтном участковом электротехническом комплексе, в соответствии с которым объект исследования представляєтся системой распределённых: источников энергетических потоков; сопротивлений изоляции силовых присоединений; проводимостей в контуре „земля” и учитываются изменения конфигурации сети в процессе и после отключения напряжения питания. Получены закономерности изменения электрических параметров в структурах электротехнического комплекса в условиях воздействия переходных процессов и действия совокупности энергетических потоков распределённых источников. Определена возможность обратных ЭДС асинхронних двигателей поддерживать опасное состояние электросети после её защитного отключения. Представлены усовершенствованные принципы построения защит шахтного участкового электротехнического комплекса от аварийных и опасных состояний. За основу принята концепция его защитного обесточивания отделением от сети всех источников энергетических потоков при применении в присоединениях статоров асинхронных двигателей измерительных и исполнительных средств, реагирующих на повышение проводимостей в цепях „фаза-земля” кабелей электропитания. Монография предназначена для научных работников и специалистов, работающих в области создания, модернизации и эксплуатационного сопровождения рудничного электрооборудования, а также может использоваться в качестве ученого пособия: для аспирантов - при исследовании процессов в промышленных электроиехнических комплексах; для студентов высших учебных заведений - при изучении соответствующих разделов дисциплины «Электрооборудование и электроснабжение горных предприятий».

Теоретические основы и принципы применения защитного обесточивания рудничных электротехнических  

В монографии обоснован метод математического моделирования переходных процессов в шахтном участковом электротехническом комплексе, в соответ...

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you