Магистерская реабота

Типовая схема системы низковольтной электрической сети очистного участка шахты (рис.1) предполагает электропитание нескольких электроустановок от одной трансформаторной подстанции (ТСВП) и наличие разветвленной сети гибких кабелей (ГК) от пускателей (П) до электропотребителей (М). Предварительный контроль сопротивления изоляции гибких кабелей отключенных электропотребителей осуществляется блоками контроля изоляции (БКИ), встроенными в пускатели. БКИ не позволяет подавать напряжение на ответвление с поврежденным гибким кабелем.

Защита человека от поражения электрическим током осуществляется аппаратом защиты от утечек тока на землю (АЗПБ, АЗУР.1, АЗУР.2, АЗУР.4 и др.), установленным в ТСВП. Этот аппарат выявляет утечку тока в электросети участка шахты и формирует команду на защитное отключение автоматического выключателя ТСВП.

Анализ процесса отключения сети по команде аппаратов АЗУР или АЗПБ с дроссельными компенсаторами емкостной составляющей тока утечки (рис.2) состоит в следующем. Время протекания электрического тока складывается из времени срабатывания аппарата защиты и коммутационного аппарата - Т1, времени затухания остаточных ЭДС, генерируемых вращающимися электроприводами в процессе выбега электродвигателей, после их отключения - Т2 и Т3. С момента возникновения утечки в те-чение времени Т1, имеет место переходный процесс ограничения тока утечки дроссельным устройства компенсации емкостной со-ставляющей приблизительно до уровня 0,05 - 0,07 А.

Кроме этого, происходят последовательные процессы срабатывания аппарата защиты и коммутационного аппарата с полным разрывом питающей сети и гашением дуги на его контактах. За период времени Т2 происходит постепенное снижения величины тока утечки за счет затухания остаточной ЭДС отключенного электродвигателя до момента срабатывания нулевой защиты пускателя. В момент срабатывания этой нулевой защиты поврежденное ответвление отключается от общей сети. Поэтому, в начале периода Т3 происходит некоторое увеличение тока утечки за счет отключения поврежденного ответвления от устройства компенсации емкостной составляющей, после чего происходит постепенное снижение тока утечки до нуля.

На рис.3 показан процесс защитного отключения по команде аппарата АЗУР.4 с устройством шунтирования поврежденной фазы(короткозамыкателем).

С момента возникновения повреждения до момента срабатывания короткозамыкателя Т1 по сопротивлению утечки протекает ток обусловленный общей ёмкостью сети. С момента времени Т1 до момента отключения пускателя Т2 ток через сопротивление утечки ограничен за счет шунтирующего эффекта короткозамыкателя. С момента Т2 нулеваязащита отключает ответвление от общей сети и от короткозамыкателя. При этом наблюдается некоторое повышение тока утечки с постепенным снижением тока до нуля.

Для обеспечения безопасности обслуживающего персонала необходимо, чтобы количество электричества, проходящего через тело человека, с момента прикосновения его к токоведущим частям до окончания процесса выбега электродвигателей, после защитного отключения, не превышало 50 mА*с. На количество электричества проходящего через сопротивление утечки влияют параметры электрической сети (общая емкость сети, емкость ответвления, быстродействие аппарата защиты, быстродействие автоматического выключателя, параметры компенсаторов или короткозамыкателей, постоянные времени выбега электродвигателя (группы электродвигателей). В процессе исследования влияния параметров электросети на величину количества электричества были рассмотрены наиболее жесткие режимы работы. Считается, что наибольшее количество электричества проходит через сопротивление утечки в процессе выбега холостого электродвигателя. По данным [1] постоянная времени выбега электродвигателя без нагрузки на выходном валу составляет 1-1,5 с при экспоненциальном характере изменения амплитуды остаточной ЭДС Um:

где Lm – индуктивность главного потока АД;

Lp – полная индуктивность ротора;

s – скольжение ротора;

w₀ – синхронная частота вращения ротора;

Тр – постоянная затухания свободного тока ротора;

Для исследования влияния изменения частоты остаточной ЭДС wв в процессе выбега была использована зависимость:

Итоговая зависимость расчета остаточной ЭДС:

Коэффициент 0,95 учитывает падение амплитуды остаточной ЭДС (на 5%) в момент отключения электродвигателя [1].

Исследование расчетной схемы системы трансформаторная подстанция – аппарат защиты – пускатель – электродвигатель был произведен при помощи пакета программ схемотехнического моделирования «Electronics Workbench» [2].

Расчет количества электричества производился по формуле:

где Iу – ток через сопротивление однофазной утечки R_у=1кОм.

Исследования показали, что кроме постоянной времени затухания амплитуды остаточной ЭДС Т_р на количество электричества значительно влияет постоянная времени затухания частоты остаточной ЭДС Т_f. Как видно из полученных зависимостей (рис.4): для короткозамыкателей – при увеличении T_fбольше 0,65с и 0,9с соответственно для ответвлений с емкостью 0,2mФ и 0,15 mФ количество электричества Q превышает допустимое значение 50mА*с.

Для компенсаторов наблюдается обратная зависимость – при уменьшении T_f менее 0,65с и 0,38с соответственно для соответственно для ответвлений с емкостью 0,2mФ и 0,15 mФ количество электричества Q превышает допустимое значение 50mА*с.

Кроме этого исследования показали, что увеличение коэффициента отпускания контактора пускателя, при использовании короткозамыкателя (в составе аппарата защиты) приводит к увеличению количества электричества. При использовании компенсатора – имеется тенденция к уменьшению количества электричества. Следовательно, в существующих электросетях могут существовать опасные режимы работы даже при выполнении требуемых ограничений по параметрам оборудования. При этом улучшение характеристик аппаратов защиты не приводит к значительному уменьшению количества электричества. Однако, такой параметр как интервал времени между моментом появления утечки и моментом отключения ответвления пускателем оказывает сильное влияние на величину количества электричества. Так, на интервале времени, равном 0,05с для компенсатора условия электробезопасности выполнялись для ответвления емкостью до 0,45mФ для 660В и до 0,25мФ для 1140В при Т_f от 0,3с до 3,0с. Для короткозамыкателя существенным параметром является коэффициент отпускания. При уменьшении коэффициента отпускания ниже 0,2 условия безопасности выполняются для ответвлений емкостью 0,45 mФ/фазу и 0,37 mФ/фазу соответственно для напряжения 660В и 1140В.

Приведенные результаты исследований свидетельствуют о том, что технические возможности существующих аппаратов защиты от утечек тока на землю исчерпаны и не в полной мере соответствуют параметрам электробезопасности в участковых сетях, имеющих значительные разветвления (а значит и повышенную ёмкость – до 1,0 mФ/фазу) в особенности при величине линейного напряжения сети 1140 В. Одним из реальных направлений в области повышения электробезопасности шахтной участковой электросети является совершенствование схем управления пускателями с целью подавления электропоражающих факторов на отдельных присоединениях, например, посредством применения короткозамыкателей в составе пускателей.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Тема: "Исследование и разработка автоматической системы контроля электробезопасности шахтной участковой сети".

Дубинин Михаил Сергеевич