ДонНТУ>
Портал магистров ДонНТУ
Персональная страница | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание
Введение
1. Обоснование актуальности темы
2. Цели и задачи
3. Обзор существующих решений по теме
Максимальная токовая защита УМЗ
Максимальная токовая защита ПМЗ
Автоматический выключатель АБВ-250
Быстродейстующая защита БМЗ
4.Обоснование структуры разработанного устройства
Заключение
Список источников
Комбинированная низковольтная электрическая сеть участка шахты представляет собой протяженные разветвленные системы гибких и бронированных кабелей, характеризующиеся наличием общей низковольтной трансформаторной подстанции, автоматических выключателей и совокупностью пускателей по числу электрических потребителей. В качестве электропотребителей обычно применяются асинхронные двигатели (АД) с фазными и короткозамкнутыми роторами.
В шахтной участковой сети имеет место наибольшее число повреждений по сравнению с другими участками электроснабжения шахты.
Ограниченность пространства в горных выработках при недостаточной освещенности значительно усложняет монтаж, обслуживание и профилактический ремонт электрооборудования. Из-за несвоевременного устранения возникших неисправностей в электрическом оборудовании, а также в результате ошибочных действий обслуживающего персонала в рудничном электрическом оборудовании возникают короткие замыкания (к.з.).
Рудничное электрическое оборудование подвергается влиянию влажной атмосферы и угольной пыли. В условиях эксплуатации угольная пыль и влага оседает на поверхности электроизоляционных деталей электрического оборудования, в результате чего появляются токи утечки, которые при определенных условиях перерастают в токи короткого замыкания. При периодических нагревах и охлаждении рудничного электрического оборудования может образовываться роса, которая также будет создавать условия для возникновения к.з. В результате проведенных наблюдений установлено, что отказы автоматических выключателей АВ из-за нарушения изоляции между фазами составляют 17,6% от общего числа отказов [1].
Основной причиной возникновения к.з. в подземных электрических установках являются механические воздействия. Рудничная электрическая аппаратура и электрические двигатели имеют механически прочные оболочки, защищающие их активную часть от внешних воздействий. В тоже время в подземных выработках шахт эксплуатируются многие километры бронированных и гибких кабелей, оболочки которых имеют недостаточную механическую прочность. При этом наибольшую аварийность имеют гибкие кабели, прокладываемые непосредственно в забоях. При повреждении кабелей, кроме однофазных, возможно появление междуфазных утечек, перерастающих в токи к.з. кроме того, к.з. может возникнуть в результате повреждения кабеля обрушившейся породой или пачкой угля, а также перемещающимся забойным оборудованием или транспортными средствами.
Анимация 1 – Аварийная ситуация в подземной выработке
Внедрение угледобывающих комплексов с механизированными крепями, применение в подземных электрических сетях аппаратуры защитного отключения и экранированных кабелей, использование в рудничном электрическом оборудовании электроизоляционных материалов с высокими физико-механическими свойствами привели к уменьшению токов утечек в рудничном электрическом оборудовании и к снижению числа к.з. в шахтных участковых сетях.
С целью предотвращения аварийных ситуаций, которые могут повлечь за собой не только выход из строя дорогостоящего шахтного оборудования, пожарам, но и привести к человеческим жертвам (вследствие поражения токами к.з.) были разработаны такие блоки максимальных защит, как УМЗ, ПМЗ и т.д. однако в случаях, когда значения возникших токов короткого замыкания будет ниже, чем уставка срабатывания коммутирующих аппаратов это приведет к несрабатыванию блоков защит и аварийным ситуациям.
Однако в настоящее время, не смотря на многие введенные усовершенствования, вопрос возникновения токов коротких замыканий остается насущной проблемой, т.к. продолжает приносить огромный ущерб на шахтах нашего края, приводя как к материальному ущербу, так и к гибели шахтеров.
Современное состояние шахтного оборудования, большие глубины добычи полезного ископаемого требуют внимательного и осторожного рассмотрения вопроса обеспечения безопасности и безаварийной работы шахт.
Условия эксплуатации электрического оборудования в подземных выработках шахт определяют специальные требования к построению системы защиты участковых сетей от токов к.з.
Схемы и конструкции защитной аппаратуры должны выполняться с учетом внешней окружающей среды, в которой эксплуатируются аппаратура; особенностей участковых электрических сетей; режимов работы электрического оборудования на участке.
Для защиты подземных электрических установок от токов к.з. в комплектные распределительные устройства, в РУНН трансформаторные подстанции, рудничные автоматические выключатели, станции управления и магнитные пускатели должны встраиваться средства максимальной токовой защиты.
Одна из задач максимальной токовой защиты заключается в том, чтобы предотвратить опасное действие токов к.з., протекающих через неповрежденные элементы подземных электрических установок. В условиях подземных выработок шахт зашита от токов к.з. приобретает особое значение в качестве средства обеспечения взрыво- и пожаробезопасности электрического оборудования.
Как показали исследования МакНИИ, в условиях шахт, опасных по газу или пыли, возникающие внутри взрывобезопасных оболочек рудничного электрического оборудования дуговые к.з. создают, по сравнению с режимом нормального искрения, дополнительные опасности: выброс из оболочки через фланцевые зазоры раскаленных металлических частиц; недопустимый нагрев наружных поверхностей стенок оболочек; прожоги оболочек; разрушение оболочки из-за повышенных давлений [1].
При возникновении дугового к.з. взрывозащита рудничного эл. оборудования может быть обеспечена только при условии применения взрывобезопасной оболочки со специальной конструкцией взрывозащитных соединений в сочетании с максимальной токовой защитой. Пожаробезопасность кабельных линий может быть достигнута использованием негорючих экранированных гибких и бронированных кабелей с защитой их при помощи максимальной токовой защиты, в сочетании с защитой от утечек.
Таким образом, наряду с функцией эксплуатационной защиты задачей максимальной токовой защиты является обеспечение в сочетании с другими средствами защиты взрыво- и пожаробезопасности электрического оборудования при возникновении междуфазных к.з. в шахтной участковой сети.
Далее представлены характеристики наиболее часто используемых на шахтах токовых защит.
Принципиальная схема устройства максимальной токовой защиты УМЗ представлена на рис. 1[2]. Защита УМЗ встроена в рудничные магнитные пускатели ПВИ, ПМВИ и ПВ, станции управления СУВ-350 и в другую рудничную аппаратуру.
Рисунок 1 – Электрическая схема УМЗ
Схема УМЗ состоит из двух одинаковых цепей, каждая из которых содержит трансформатор тока ТА, шунтирующие резисторы RШ, RП, регулировочный резистор RР , выпрямительный мост V и исполнительное электромагнитное реле постоянного тока К. Резистор RШ присоединен непосредственно к вторичной обмотке трансформатора тока ТА, а резистор RП - через переключатель S, который в рабочем режиме замкнут. Таким образом, сопротивление цепи, присоединенной параллельно вторичной обмотке трансформатора тока ТА, составляет
Ток I2 вторичной обмотки ТА, определяемый первичным током I1 и коэффициентом трансформации K1 , создает на шунтирующем цепи с сопротивлении R напряжение, которое подается на выпрямительный мост V, нагруженный на электромагнитное реле К. Таким образом, исполнительное реле присоединяется к схеме не как токовое, а как реле напряжения. При подаче на обмотку реле выпрямленного напряжения ток в обмотке реле изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени, определяемой соотношением активных сопротивлений элементов схемы и индуктивности катушки реле К.
Особенностью защиты УМЗ является также то, что параметры шунтирующих сопротивлений и катушки реле выбраны такими, что магнитный поток в магнитопроводе при переходных процессах в сети, обусловленных пусковыми токами АД, не достигает потока троганья реле. Это дает возможность практически отстраивать защиту УМЗ по фактическому пусковому току АД, что значительно расширяет зону ее действия.
Требуемые установки УМЗ устанавливают при помощи регулировочных резисторов RП. Действие УМЗ проверяется поочередно для каждой цепи защиты. Для этого, не изменяя уставок защиты, при которых защита отстроена от пусковых токов присоединенного АД, резистор RП отключается переключателем S от проверяемой цепи защиты. В результате сопротивление цепи, присоединенное параллельно вторичной обмотке ТА, увеличивается и окажется равным RШ. теперь при пуске АД защита должна сработать, поскольку напряжение не зажимах реле повысится.
Конструкция УМЗ состоит из двух трансформаторов тока типа ТТЗ и блока защиты, в котором размещены все элементы схемы и механизм взвода защиты. Блок защиты для различных по номинальному току пускателей выполняется взаимозаменяемым и состоит из следующих основных узлов: лицевой панели, задней панели со штепсельными контактами; правой боковой панели со смонтированными на ней механизмами взвода защиты и кнопочным элементом с размыкающим и замыкающим контактами мостиками; левой боковой панели. Между боковыми панелями закреплена скоба, на которой установлены два электромагнитных реле, а также валик отключающего механизма. На лицевой панели расположены шкалы уставок в относительных единицах, рукоятки изменения уставок, рукоятки тумблеров переключения защиты в положения «Работа» или «Проверка», а также толкатель отключающего механизма.
Рисунок 2 – Зависимость собственного времени срабатывания УМЗ от кратности тока КЗ току уставки
На рис. 2 была показана зависимость собственного времени срабатывания УМЗ от скорости тока КЗ к току уставки. Уставки срабатывания УМЗ на шкалах нанесены в условных единицах.
Максимальная токовая защита ПМЗ [2] устанавливается в новой рудничной электрической аппаратуре. Принципиальная электрическая схема ПМЗ приведена на рисунке 3. Она состоит из установленных в трех фазах трансформаторов тока ТА1, ТА2 и ТА3 и блока защиты, в котором размещены остальные элементы схемы.
Рисунок 3 – Электрическая схема ПМЗ
Вторичные обмотки ТТ соединены в звезду, параллельно каждой обмотке присоединены резисторы R. Между началами вторичных обмоток и нулевым проводом присоединены измерительная и исполнительная части схемы ПМЗ. При такой схеме ТТ являются не только датчиком тока, но и источником питания цепи исполнительного органа защиты, состоящей из последовательно включенных трехфазного выпрямительного моста, собранного на диодах V1, V3, V5, диода V18, обмотки независимого расцепителя QF1 автоматического выключателя, тиристора V14 и диода V10. Параллельно обмотке независимого расцепителя QF1 присоединена одна из обмоток двухобмоточного электромагнитного реле К с магнитной защелкой.
Измерительная часть схемы содержит трехфазный выпрямительный мост на диодах V7, V8 и V9, делитель напряжения на резисторах R4…R7 и полупроводниковое реле короткого замыкания, вход которого присоединен к делителю напряжения, а выход – к управляющему электроду тиристора V14.
Полупроводниковое реле состоит из стабилитрона V11, диода V12, конденсатора С1, резисторов R8 и R9, тиристора V13, конденсатора С2.
Чтобы проверить действие зашиты, параллельно измерительной части схемы через переключатель SА присоединен трехфазный выпрямитель, с вентиляторами которого V2, V3 и V6 последовательно соответственно резисторы R1, R2 и R3.
Питание исполнительной части схемы от ТТ осуществляется напряжением, снимаемым с резистора R, а измерительной части схемы – напряжением, снимаемым с параллельно соединенных резисторов и одним из резисторов R1(R2, R3).
Установка тока срабатывания ПМЗ регулируют переменным резистором R5, размещенным в одном из плеч делителя напряжения.
При возникновении в защищаемой сети аварийного тока, превышающего уставку защиты, напряжение с резистора R, пропорциональное вторичному току ТА1-ТА3, подается на силовой тиристора V14, а напряжение с параллельно соединенных резисторов R и R1 (R2, R3) – на делитель напряжения. Если ток в сети достигает значения, при которой напряжение на плече делителя с резисторами R6 и R7 превышает напряжение стабилизации стабилитрона V11, то подается сигнал на управляющий электрод тиристора V13, вызывая его отпирание и подачу тока смещения на управляющий электрод V14. При этом V14 открывается, что вызывает срабатывание независимого расцепителя QF1 автоматического выключателя и поляризованного реле К, рабочая обмотка которого включена параллельно обмотке указанного расцепителя. Замыкающий контакт реле К2 включает цепь сигнализации о срабатывании ПМЗ, а размыкающий контакт К1, разрывая цепь питания нулевого расцепителя автоматического выключателя, блокирует его.
Возврат поляризованного реле К в исходное состояние осуществляется подачей напряжения на его дополнительную обмотку от трансформатора управления TV.
Для проверки действия ПМЗ переключатель SА устанавливается в положение «Проверка», при котором общая точка выпрямителя, собранного на диодах V2, V4 и V6 с резисторами R1, R2 и R3, оказывается отсоединенной от вторичных обмоток трансформаторов тока ТА1, ТА2 и ТА3. В результате этого при возникновении тока в первичной цепи на измерительную часть схемы напряжение подается не с параллельно соединенных резисторов R, R1(R2, R3), а с резистора R. Поэтому чувствительность схемы ПМЗ повышается.
Проверку действия защиты производят при пуске АД. Если уставка выбрана из условия отстройки от пусковых токов присоединенного к выключателю АД, то ПМЗ срабатывает. После проверки действия ПМЗ переключатель SА устанавливается в положение «Работа».
На рисунке 4 приведена зависимость среднего времени срабатывания ПМЗ от кратности тока КЗ к току уставки.
Рисунок 4 – Зависимость собственного времени срабатывания ПМЗ от кратности тока КЗ току уставки
Блок ПМЗ выполнен быстросъемным, в пылевлагозащищенном исполнении. В корпусе блока на платах с печатным монтажом установлены элементы схемы. На лицевую часть выведены ручка уставок, шкала уставок, рукоятка переключателя положения «Работа» или «Проверка». Для обеспечения быстросъемности блок имеет контактную вилку штепсельного разъема.
Выключатель АБВ-250 [2] предназначен для проведения тока в нормальном режиме и отключения тока при к.з. и замыкания на землю, для оперативных отключений электрических цепей в очистных и подготовительных выработках на крутых пластах угольных шахт, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа, при системе электроснабжения с автоматическим защитным (опережающим) отключением.
Выключатель обеспечивает следующие виды управления, защиты, блокирования, сигнализации и проверки: а) ручное временное отключение, а также дистанционное отключение с помощью кнопочного поста; б) быстродействующую защиту электрической сети от междуфазных замыканий, связанных с землей, и от однофазного замыкания на землю, а также проверку исправности защиты и сигнализацию о ее срабатывании; в) защиту от утечек тока на землю с помощью реле утечки, проверку его исправности и сигнализацию о срабатывании; г) нулевую защиту; д) блокирование, препятствующее включению выключателя при снижении Rиз относительно земли отходящего участка сети ниже 30 кОм с помощью БРУ, проверку его исправности и сигнализацию о срабатывании; е) блокирование, препятствующее включению выключателя и обеспечивающее отключение его при обрыве, замыкание и увеличение сопротивления цепи дистанционного отключения свыше 40 Ом; ж) блокирование, препятствующее включению выключателя и обеспечивающее отключение его при недостижении или снижении уровня напряжения на батарее конденсаторов с помощью устройства контроля напряжения, а также сигнализацию о недостаточном уровне напряжения на батарее конденсаторов; з) блокирование, препятствующее включению выключателя после срабатывания быстродействующей защиты; и) подачу включающего сигнала на моторные короткозамыкатели в количестве до 10 при срабатывании быстродействующей защиты; к) замыкание при помощи короткозамыкателей основных жил отходящего кабеля при срабатывании быстродействующей защиты.
В автоматических быстродействующих выключателях АБВ-250 применена быстродействующая максимальная токовая защита БМЗ (рис. 5) [3], содержащая три трансформатора тока ТА1, ТА2, ТАЗ с ферромагнитными сердечниками и немагнитными зазорами. Концы вторичных обмоток соединены в нулевую точку, а начала подключены на вход трехфазного выпрямителя VС блока БМЗ.
Конструктивно блок БМЗ состоит из пылевлагонепроницаемого корпуса с контактной штепсельной вилкой и набором компонентов, установленных на платах с печатным монтажом. На лицевую часть блока выведена ручка изменения уставок срабатывания защиты со шкалой в относительных единицах.
Рисунок 5 – Принципиальная электрическая схема блока БМЗ
Напряжение, снимаемое с переменного резистора R1, пропорционально скорости нарастания тока, протекающего в трех фазах защищаемой сети. При превышении скорости нарастания тока в защищаемой сети выше допустимого предела напряжение достигает значения напряжения пробоя последовательно соединенных стабилитронов VI и V2. Транзистор VТ открывается и подает сигнал на срабатывание тиристора VS.
От заряженного конденсатора СЗ через открытый тиристор VS и зажимы 7 и 8 подается сигнал на управляющий электрод тиристора в блоке конденсаторов БК (на схеме не показан). Блок БK за счет заряженной до 510—550 В батареи конденсаторов включает индукционно-динамический привод быстродействующего выключателя - короткозамыкателя (на схеме не показан).
Выпрямление питающего напряжения осуществляется диодами V4, V8 и V7. Падение напряжения на стабилитроне VЗ является напряжением положительного смещения для транзистора VТ.
В блоке БМЗ установлено двухобмоточное реле К.1 (типа РПС-20) с магнитной защелкой, которое блокирует повторное включение выключателя при срабатывании БМЗ. При включении тиристора VS реле К.1 срабатывает (конденсатор С4 разряжается по цепи: С4 — тиристор, VS — диод, V4 — обмотка I реле К.1 — конденсатор С4) и контактом К1.1 включает сигнальную лампу, а контактом К1.2 разрывает цепь питания исполнительного релe в блоке БР (блок реле), вследствие чего разрывается цепь электромагнитного рaсцепителя YАТ.
Возврат реле К.1 в исходное положение после выявления и устранения причин, вызвавших срабатывание БМЗ, осуществляется нажатием кнопки S1 «Деблокировка БМЗ, УБЗ» (конденсатор С4 разряжается через обмотку II реле К.1).
В программу РНИ защиты БМЗ входят те же виды работ (операции), что и для блока ПМЗ. Дополнительно необходимо руководствоваться следующим:
а) для проверки функционирования защиты БМЗ на лицевой части блока ручкой изменения уставок установить уставку не более 5 (в относительных единицах). Закрыть быстрооткрываемую крышку автомата, включить его и нажать кнопку «Проверка БМЗ», которая включена в цепь проверочной обмотки трансфор-матора ТАЗ. При срабатывании БМЗ загорается сигнальная лампа.
После срабатывания защиты нажать кнопку S1 «Деблокировка БМЗ, УБЗ», ручкой изменения уставок па лицевой части блока установить необходимую уставку тока.
При проверке БМЗ в отделении выводов выключателя АБВ-250 надо установить перемычку между проходными зажимами 2 и 3, если в цепь короткого замыкания не вводится реактор, ограничивающий ток к.з.;
б) регулировку уставки БМЗ осуществлять резистором R1.
При обнаружении неисправностей в работе защиты БМЗ блок подлежит замене. Во время эксплуатации запрещается в шахте вскрывать блоки для ремонта или регулирования его элементов.
С целью улучшения эксплуатационных параметров электроприводов в настоящее время широкое распространение получают тиристорные регуляторы напряжения (ТРН), применяемые в качестве устройств плавного пуска, функционирующих в режиме «soft-start», асинхронного двигателя. Достоинством ТРН является простота силовой схемы и системы двигателя. Схема ТРН отличается малым количеством основных элементов коммутации – силовых тиристоров. Это позволяет упростить систему охлаждения тиристоров в корпусе рудничного взрывобезопастного исполнения и делает предпочтительным использование ТРН в качестве пускового устройства рудничного электропривода.
Функционирование ТРН сопряжено с реализацией принципа фазового регулирования напряжения на нагрузке. Это значит, что его величина может изменяться от нуля до номинального значения соответствующим изменением углов отпирания тиристоров (a) от 180 эл. град. до нуля. Таким образом, ток к.з. на выходе ТРН так же зависит от параметра проводимости тиристоров, а максимальная токовая защита (МТЗ) должна иметь функцию корректировки уставки срабатывания. Учитывая это, следует изменить подход к расчету уставок максимальной токовой защиты в низковольтной шахтной электросети. В частности, в соответствии с требованиями нормативной документации уставка УМЗ должна превышать 1,2 от номинального пускового тока двигателя нагрузки и быть меньше двухфазного тока к.з. (на нагрузке) более, чем в 1,5 раза.
При глубоком регулировании выходного напряжения ТРН ток к.з. на нагрузке может оказаться ниже по своей величине, чем номинальный пусковой ток АД. Это приведет к несрабатыванию защиты.
Зависимость изменения тока к.з. от параметров электрической сети (до места к.з.) и угла отпирания тиристоров ТРН установлена в исследованиях [4] и свидетельствует о существенном снижении тока к.з. с увеличением угла отпирания тиристоров и длины кабеля (рис.6).
Рисунок 6 – Зависимость тока замыкания от угла отпирания и расстояния до распредпункта
Это требует разработки дополнительных технических решений с целью корректировки чувствительности максимальной токовой защиты (МТЗ). На рисунке 7 представлена принципиальная схема МТЗ, адаптированной к электротехническому комплексу с ТРН.
Рисунок 7 – Принципиальная схема устройства максимальной токовой защиты
Данное устройство позволяет динамично корректировать уставку срабатывания МТЗ в зависимости от угла a отпирания тиристоров. Задание уставки срабатывания МТЗ обеспечивается потенциометром R21, коррекция уставки выполняется соответствующим включением – отключением последовательно резисторов R17-R20 транзисторными ключами VT6 – VT9. Компараторы DA2-DA5 сравнивают величину опорного напряжения Uоп управления СИФУ с фиксированными уровнями, соответствующими конкретным углам отпирания тиристоров ТРН, и формируют команды на включение транзисторных ключей при достижении опорным напряжением соответствующего фиксированного уровня. Сравнение напряжения, пропорционального току сети с уставкой срабатывания выполняет компаратор DA1.
Таким образом, разработанное устройство позволяет повысить точность срабатывания максимальной токовой защиты в низковольтной участковой электросети, содержащей тиристорные регуляторы напряжения, в частности, устройства плавного пуска асинхронных электроприводов - «soft-start».
Шахтные комбинированные электросети снабжают электроэнергией всю шахту: как подготовительные выработки, так и добычные участки; как двигатели комбайнов, так и двигатели конвейеров и другую не менее важную аппаратуру. Без исправного электроснабжения будет невозможна вся работа. Остановятся выполнение всех технологических процессов: основных – процессов, обеспечивающих добычу, транспортирование и обработку полезного ископаемого; вспомогательных –обеспечивающих непрерывное функционирование основных технологических процессов; непрерывных - процессы, в которых перенос или преобразование материала, энергии происходит в виде непрерывных потоков (процесс проветривания участков и шахты в целом – вентиляторы главного и местного проветривания) и периодических – характеризующимся однократным протеканием процесса и перемещением материала, энергии и информации в виде отдельных элементов (водоотлив, подъем).
Таким образом, в случае возникновения неисправностей в линиях электроснабжения, будет нанесен огромный ущерб всему функционированию шахты в целом и отдельным его участкам в частности.
C учетом широкого распространения тиристорных регуляторов напряжения, применяемых в качестве устройств плавного пуска, было предложено устройство максимальной токовой защиты, работа которого настроена на изменение характеристик и параметров электрической сети. Т.к. ток к.з. на выходе ТРН так же зависит от параметра проводимости тиристоров, а максимальная токовая защита (МТЗ) должна иметь функцию корректировки уставки срабатывания.
Разработанное устройство отвечает этим требованиям и имеет пять ступеней корректировки, а значит обеспечит надежное отключение сети в случае возникновения короткого замыкания
2.Ванеев Б.Н. Справочник энергетика угольной шахты. - Д.:Юго-Восток2001г.
3. Дегтярев А.П. Руководство по ревизии, наладке и испытанию подземных электрических установок. 1989г. С.201-202
4. Гаврилко А.В., Ешан Р.В. Автоматическая токовая защита от коротких замыканий в шахтной низковольтной комбинированной электрической сети. Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих. Зб. наук. праць 1-ї Всеукр. МНТК. Донецьк, Дон НТУ, 15-16.05. 2001р. С. 53-55.
ДонНТУ>
Портал магистров ДонНТУ>
Персональная страница |
Библиотека |
Ссылки |
Отчет о поиске |
Индивидуальное задание