Для обеспечения электробезопасности магистрального кабеля функция аппарата защиты достаточна, однако электробезопасность наиболее подверженных повреждениям и преобладающих на участке гибких кабелей обеспечивается не в полной мере. Причиной этого является наличие ЭДС вращения, индуктируемая вращающимся полем токов ротора на зажимах статора присоединённого к кабелю асинхронного двигателя (АД) после его отключения. В случае касания человеком находящихся под напряжением токоведущих элементов сети между пускателем и АД и отключения по этой причине электросети со стороны питающей подстанции не предотвращается опасность электротравматизма, т.к. поражающим фактором остаётся ЭДС вращения АД, который переходит в режим генератора. Опасность электротравматизма, обусловленного воздействием ЭДС вращения АД, обусловлена ещё и тем, что такое воздействие на человека, прикоснувшегося к находящемуся под напряжением токоведущему элементу сети, имеет место после воздействия напряжения сети. Разработка блока управления этим процессом позволит снизить вероятность поражения человека электрическим током и этим снизить травматизм на производстве.

1. Особенности построения низковольтной электрической сети участка шахты

         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.

Рисунок 1 - Типовая схема системы низковольтной электрической сети очистного участка шахты

     Защита человека от поражения электрическим током осуществляется аппаратом защиты от утечек тока на землю АЗУР (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.

2. Проблематика защиты от утечек тока на землю

         Опасность поражения человека электрическим током в сетях с изолированной нейтралью в основном обусловлена возникновением токов утечки на землю. Появление опасных токов утечки могут вызывать: постепенное снижение сопротивления изоляции с равномерным уменьшением сопротивления фаз относительно земли; снижение сопротивления изоляции при местном повреждении сети; увеличение общей емкости сети. Проблематике электробезопасности посвящены исследования профессоров Р.М. Лейбова, В.С. Дзюбана, В.П. Колосюка и др. учёных [6; 7; 8] При прикосновении человека к одной из фаз (рис. 2), к нему прикладывается часть фазного напряжения.

Рисунок 2 – Схема сети с изолированной нейтралью и распределенной утечкой.

         Величина тока, протекающего через человека, определяется формулой:

         где UФ - фазное напряжение сети, r = r1 = r2 = r3 – распределенное сопротивление фаз сети относительно земли, Rч – сопротивление тела человека. При r = 42600 Ом и Rч = 1000 Ом имеет место максимально допустимый длительный ток через тело человека (Iч = 0,025 А). Снижение сопротивления изоляции при местном повреждении приводит к появлению сосредоточенной утечки тока.

Воспользуйтесь калькулятором, если вам это необходимо:

(

)

1/X

7	8	9	C
4	5	6	*	/
1	2	3	+	-
0;	.	+/-	=

         Её сопротивление обычно намного меньше сопротивления распределенной утечки и она наиболее опасна. В этом случае к телу человека прикладывается часть линейного напряжения сети (рис. 3). Величина тока через человека равна:

Рисунок 3 – Схема сети с изолированной нейтралью и сосредоточенной однофазной утечкой.

         Общая ёмкость сети зависит от общей протяженности сети, типа силовых кабелей и во многом обусловливает опасность поражения током человека при прикосновении к токоведущим частям. Сеть со значительной протяженностью и с высоким активным сопротивлением изоляции можно представить в виде (рис. 4). В этом случае можно принять C1=C2=C3=С и активные сопротивления фаз относительно земли равными бесконечности. Величина тока, протекающего через человека, будет равна:

Рисунок 4 – Схема сети с изолированной нейтралью большой протяженности и высоким активным сопротивлением изоляции.

         Для сети линейного напряжения 660В протяженности (около 200 м) с хорошим состоянием изоляции и с емкостью 0,2 мкФ/фазу на фазу, ток через человека будет равен 0,0607 А, а при емкости 1,15 мкФ/фазу и протяженностью 900 м - 0,3617 А, соответственно, что значительно превышает допустимое значение (0,025А). Опасность электротравматизма человека может возникнуть как при постепенном снижении сопротивления изоляции сети, так и при внезапном местном повреждении. Кроме этого, повреждения изоляции электрической сети повышают вероятность пожара и взрыва в шахте. Для безопасной эксплуатации электрической сети предусмотрены специальные меры, предотвращающие опасные последствия утечек тока на землю. К ним относится автоматическая защита от утечки тока на землю. Таким образом, можно сделать вывод, что шахтная электрическая сеть характеризуется разветвлённостью кабельных линий, наличием аппаратов защитного отключения; при эксплуатации электрической сети есть вероятность контакта человека с оголённым кабелем, находящимся под напряжением.

         С целью защиты человека от поражения электрическим током предусматривается участковый аппарат защиты (АЗ) от утечек тока на землю. Он встраивается в распредустройство низкого напряжения трансформаторной подстанции участка и воздействует на нулевой и независимый расцепители автоматического выключателя этого распредустроойства. Технически реализованы АЗ с последовательным включением измерительного органа в контролируемую цепь и с функцией статической компенсации ёмкостных составляющих токов утечки, а так же АЗ, работающие на принципе сравнения оперативного и эталонного токов с функцией самоконтроля исправности и автоматической компенсации ёмкостных составляющих токов утечки. В сетях номинального линейного напряжения 1140 В применяют АЗ с функцией выявления и закорачивания повреждённой фазы. Этот принцип потенциально опасен, поскольку ошибка в выявлении повреждённой фазы и закорачивание на землю фазы не повреждённой, ведут к подаче линейного напряжения на сопротивление утечки, в качестве которого может служить сопротивление человека, прикоснувшегося к элементу электросети, нормально находящемуся под напряжением. Таким образом, в случае касания человеком находящихся под напряжением токоведущих элементов сети между пускателем и АД и отключения по этой причине электросети со стороны питающей подстанции не предотвращается опасность электротравматизма, т. к. поражающим фактором остаётся ЭДС вращения АД. Опасность электротравматизма, обусловленного воздействием ЭДС вращения АД, обусловлена ещё и тем, что такое воздействие на человека, прикоснувшегося к находящемуся под напряжением токоведущему элементу сети, имеет место после воздействия напряжения сети. Целью данного проекта - разработка устройства защиты от воздействия ЭДС вращения АД.

3. Обоснование направления автоматизации технологического процесса электроснабжения очистного участка шахты

         Повышение электробезопасности сети будет достигнуто при условии подавления ЭДС вращения асинхронных двигателей (АД). Её начальная величина достигает 0,95 от номинального напряжения сети и экспоненциально снижается с постоянной Tp затухания свободного тока ротора [11]:

         где Lm - индуктивность главного потока АД; Lp, w0 и s - полная индуктивность, синхронная частота вращения и скольжение ротора; Io и rp - ток холостого хода и активное сопротивление ротора АД; Uф - фазное напряжение статора в режиме холостого хода; Кн = 1 - 1,1 - коэффициент насыщения АД.

         Расчет начального тока утечки [11], обусловленного ЭДС вращения (627 В/фазу) с использованием виртуальной модели сети показал наличие опасности электротравматизма.

         С целью исключения подпитки места утечки тока на землю на участке между пускателем и двигателем со стороны последнего целесообразно автоматически подавлять ЭДС вращения двигателя всякий раз после исчезновения тока статора, потребляемого из сети. Этим будет так же исключено поддержание напряжения на первичных обмотках трансформаторов питания пускателей. Следовательно, в процессе аварийного отключения сети одновременно с отключением автоматического выключателя трансформаторной подстанции отключатся и контакторы пускателей, отсоединив электрически место утечки от статорных обмоток двигателей потребителей участка и исключив тем самым возможность подпитки места утечки и с их стороны.

К известным способам подавления ЭДС вращения АД следует отнести закорачивание статора, а так же отключение статора двигателя. В первом случае со стороны непосредственно у кабельного ввода двигателя предусмотрен полупроводниковый короткозамыкатель (диодный мост, нагруженный тиристором), включаемый в случае исчезновения тока в магистральном кабеле [11]. Схема управления короткозамыкателем (5) предполагает применение: компаратора 1 в качестве формирователя сигнала о наличии (отсутствии) тока в фазах А; В; С кабеля, триггерной ячейки 2-3 в качестве элемента запоминания появления тока в кабеле; элемента ИЛИ-НЕ (4) в совокупности связей с элементами 1 - 3 – в качестве узла выявления исчезновения тока в кабеле. В обоих случаях предполагается, что силовой коммутационный аппарат подключен непосредственно у двигателя. В связи с тем, что подавление ЭДС вращения АД должно происходить всякий раз после отключения двигателя от сети и выполняться в автоматическом режиме, применение закорачивания статора нерационально.

Рисунок 5 – Схема управления короткозамыкателем.

         Во-первых, такой способ сопряжен с кратковременными, но значительными перегрузками двигателя по току, поскольку предполагается закорачивание статора:

         где ik – ток статора (в короткозамкнутой цепи); Ebpm – амплитуда ЭДС вращения; z – полное сопротивление короткозамкнутой цепи; Ta – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока двигателя ia в цепи короткозамыкателя; a - фаза включения при t=0; w - угол сдвига тока к.з.

         Процесс сопровождается реверсом фазных токов в обмотках двигателя и возникновением тормозного момента, что вызывает динамические перегрузки в приводе и неоправданную деформацию фрагментов статорных обмоток. Такой процесс допустим только в режиме аварийного отключения, поскольку частое его повторение ведёт к существенному снижению ресурса двигателя. Коммутация входа статорной обмотки двигателя выполняется под рабочим напряжением и требует применения трёхполюсного контактора, а по сути, - дополнительного пускателя, устанавливаемого непосредственно у двигателя, что не рационально. В то же время, подавление ЭДС вращения двигателя может быть осуществлено коммутацией “звезды” статора двигателя двумя однополюсными контакторами (рис. 6). В качестве последних приемлемо использовать высокоэффективные малогабаритные вакуумные контакторы серии SPVC отечественного производства (завод «Таврида», Севастополь). Конструктивно они могут встраиваться в дополнительный объем коробки кабельных вводов двигателя.

Рисунок 6 – Предлагаемая схема коммутации статора двигателя при исчезновении потребляемого тока.

         Физическим моделированием установлена высокая эффективность подавления ЭДС вращения АД контакторным размыканием «звезды» обмотки статора [11]. В частности, на осциллограмме (рис. 7), представлен процесс отключения линейного напряжения статора АД мощностью 10 кВт в момент времени 0, 055с с последующим переходом этого линейного напряжения в линейную ЭДС вращения двигателя. В момент времени 0,325 с от начала осциллографирования произведено отключение вакуумных контакторов в «звезде» статора двигателя. Как следует из осциллограммы, подавление ЭДС вращения АД по продолжительности составляет 0,0007 с. Процесс не сопровождается повышениями тока и динамической составляющей момента двигателя. В штатном режиме коммутация «звезды» статора происходит при нулевом потенциале точки «звезды», что еще более повышает ресурс устройства коммутации.

Рисунок 7 – Осциллограмма напряжения, ЭДС вращения статора АД в процессе отключения с последующим размыканием «звезды» его обмоток.

         Алгоритм управления контакторами КМ1; КМ2 состоит в следующем. При подаче напряжения на клеммы А; В; С статора двигателя формируется команда на включение контакторов КМ1; КМ2. Команда на их отключение формируется в случае исчезновения тока статора двигателя.

4. Структурная и функциональная схемы автоматизации объекта

         Для обеспечения электробезопасности магистрального кабеля функция аппарата защиты достаточна, однако электробезопасность наиболее подверженных повреждениям и преобладающих на участке гибких кабелей обеспечивается не в полной мере. Причиной этого является наличие ЭДС вращения, индуктируемая вращающимся полем токов ротора на зажимах статора присоединённого к кабелю асинхронного двигателя (АД) после его отключения. Разрабатываемое устройство проектируется на основе контактора SPVC двигателя шахтной машины [10]. Контактор однофазный вакуумный серии SPVC 1-630 (далее контактор) предназначен для коммутации электрических цепей однофазного тока промышленной частоты при напряжении до 1000 В. Контактор используется в качестве комплектующего изделия в низковольтных комплексных устройствах. Контактор способен пропускать ток перегрузки 5040 А в течение не менее 10 секунд. Он работоспособен в любом положении в пространстве. Контактор SPVC 1 - 630 имеет один замыкающий и один размыкающий вспомогательные контакты. Контактор имеет встроенный неферромагнитный датчик тока. За контролируемый параметр принимается сигнал с датчика тока контактора. Включение звезды статора асинхронного двигателя происходит при наличии напряжения питания, а отключение - при отсутствие тока. Структурная и функциональная схемы автоматизации объекта (на основе контактора SPVC 1-630) с обозначением взаимосвязи разрабатываемого устройства приведена на рис. 8. и 9. соответственно.

Рисунок 8 – Структурная схема автоматизации объекта.

         На схеме приняты следующие обозначения: ДТ – датчик тока контактора SPVC 1 - 630; БП – блок питания; БКТ – разрабатываемый блок контроля наличия тока.

Рисунок 9 – Функциональная схема блока контроля тока (БКТ).

         Целью данного проекта - разработка устройства защиты человека от воздействия ЭДС вращения асинхронного двигателя (АД).

    Если интересно зайдите сюда: моделирование процессов в АД после защитного отключения.

---

Перечень источников

1. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. ДНАП1.1.30-01-96: Утв. Гос. Комитетом по наблюдению за охраной труда 18.01.96/ Гос. Комитет по наблюдению за охраной труда. – К, 1996, – 421с.
2. Руководство по ревизии наладке и испытанию подземных электроустановок шахт. Сост.: В. А. Чумаков, М. С. Глухов, Э. Р. Осипов и др. Под ред. В. В. Дегтярёва, Л. В. Седакова. 2-е изд., - М.: Недра, 1989.-614 с.
3. Гаврилов П. Д., Гимельштейн Л. Я., Медведев А. С. Автоматизация производственных процессов. Учебник для вузов. М.: Недра, 1985 – 215с.
4. Автоматизация процессов подземных горных работ под ред. Проф. А. А. Иванова, - Донецк: Главное изд-во, 1987- 328с.
5. Батицкий В. А., Лупоедов В. И., Рыжков А. А.. Автоматизация производственных процессов и АСУТП в горной промышленности М.: Недра, 1991-303с.
6. Лейбов Р. М., Озерной М. И. Электрификация подземных горных работ. М. Недра, 1972.- 464 с.
7. Дзюбан В. С. Аппараты защиты от токов утечки в шахтных электрических сетях. М., Недра. 1982. 152 c.
8. Колосюк В. П. Защитное отключение рудничных электроустановок. М., Недра, 1980.- 334 с.
9. Справочник энергетика угольной шахты / В. С. Дзюбан, И. Г. Ширнин, Б. Н. Ванеев, В. М. Гостищев; Под общ. Ред. Б. Н. Ванеева. - 2-е изд. - Донецк, ООО «Юго-Восток Ltd.», 2001- Т1, 447 с.
10. Техническое описание: Контактор серии SPVC, завод “Таврида”, Севастополь.
11. Маренич К. Н. Проблематика электробезопасности системы «кабель - двигатель» участка шахты // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Випкск 27. Серія гірничо-електромеханічна. Донецьк, ДонДТУ, 2001, - С.270-277.

---

В начало

---

Ссылки     Библиотека     Индивидуальное задание     Результаты поиска     Автобиография

---