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 нагреве 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.
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.
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 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 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.
В данном работе будут представлена разработка компьютерной математической модели шахтной комбинированной электросети в условии аварийной ситуации возникновения короткого замыкания.
Рассмотрим наиболее часто встречающиеся возможные варианты короткого замыкания:
- трехфазное короткое замыкание;
- короткое замыкание двух фаз.
Целью данного работы является рассмотрение указанных выше вариантов, и составление соответствующих им математических моделей, а также обоснование способов предотвращения и устранения аварийных ситуаций. Проверки правильности выбора коммутирующих аппаратов и их уставок, что во многом является решающим при предотвращении аварий на шахтах в реальных условиях.
Для выполнения этой задачи необходимо решить комплекс задач:
- анализ объекта исследования;
- структурная и параметрическая идентификация исследуемого объекта;
- составление математического описания шахтной участковой сети в условиях короткого замыкания;
- анализ результатов моделирования и обоснование способов их устранения.
Рисунок 1 – Схема электрической сети участка шахты
На рис.1 изображена схема электрической сети участка шахты, которая представляет собой систему гибких кабелей, соединяющую общую низковольтную трансформаторную подстанцию, автоматический выключатель и совокупность пускателей по числу электрических потребителей.
Преобразуем показанную выше схему, представив в виде совокупности структурных блоков, представляющих активное и индуктивное сопротивление. При этом для рассмотрения возьмем только участок, состоящий из передвижной участковой подземной подстанции ПУПП, автоматического выключателя АВ, одного пускателя ПВИ и одного электродвигателя шахтной машины ЭД, предполагая, что ЭД – асинхронный двигатель. Элементы схемы соединяют гибкие кабели. Т.к. рассмотрение полного комплекса всех представленных элементов лишь усложнит задачу. Расчет нерассмотренных элементов может быть проведен аналогично представленному далее расчету.
Рисунок 2 – Структурная схема электрической сети участка шахты
При расчете модели электрической цепи мы заведомо пренебрегаем значениями активных и индуктивных сопротивлений автоматического выключателя, пускателя, пологая, что эти значения являются незначительными и не оказывают существенного влияния на результаты расчетов и результаты моделирования.
Введенные упрощения позволяют повысить наглядность модели, а также значительно ее упростить. При этом исключенные значения составляют столь малую долю при расчете полного сопротивления, что их исключение не должно ухудшить адекватность модели.
При моделировании в данной работе будем рассматривать два случая:
- трехфазное короткое замыкание;
- короткое замыкание двух фаз.
Структурные схемы электрической сети участка шахты, соответствующие двум этим вариантам, представлены на рис. 3., где а) – структурная схема, реализующая трехфазное короткое замыкание; б) – структурная схема, реализующая короткое замыкание двух фаз. При этом в случае трехфазного короткого замыкания, замыкание приходится сразу же за пускателем, а во втором варианте – замыкание произошло перед асинхронным двигателем.
Рисунок 3 - Структурные схемы электрической сети участка шахты при коротких замыканиях
Зададимся реальными начальными условиями и исходными переменными для моделирования. Это позволит ознакомиться с возможностями представленной далее программы более наглядно.
При этом будем рассматривать различные варианты электрических установок, наиболее часто встречающихся в шахтных условиях:
В качестве передвижной участковой подземной подстанции ПУПП выберем трансформаторную подстанцию напряжением 660 В – ТСВП-400. ее электро-технические характеристики представлены в таблице 1.
Таблица 1. - Электо-технические данные трансформаторных подстанций напряжением 660 В.
| Тип подстанции | Sном, кВА | Отключающая способность | Тип встроенного выключателя | Номинальное напряжение | Номинальный ток | сопротивление | |||
| обмотки, В | обмотки, В | обмоток НН, Ом | |||||||
| BH | HH | BH | HH | BH | HH | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 |
| ТСВП - 400 | 400 | 42000 | А3792 | 6000 | 690 | 38,5 | 334,7 | 0,0107 | 0,0403 |
Автоматический выключатель типа АВ-200ДО (напряжением 660 В):
Таблица 2.- Электро-технические выключателя АВ (напряжением 660 В)
| Автоматический выключатель | Номинальный ток, А | Отключающая способность, А | Тип встроенного выключателя | Тип МСЗ |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| АВ - 200 ДО | 200 | 17000 | А3792 | ПМЗ |
Магнитный пускатель – ПРВИ-125 ( напряжением 660/1140В):
Таблица 3. – Электро-технические данные магнитного пускателя ПРВИ (напряжением 660/1140 В)
| Магнитный пускатель | Номинальный ток, А | Макс. присоед. мошность, кВА | Отключающая способность, А |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| ПРВИ-125 | 125 | 100 | 2500 |
В качестве кабеля проложенного от трансформаторной подстанции и до пускателя выбираем - КГЭШТ 3х50 (гибкий кабель) предполагая, что его длина - 1км. В таком случае:
- Iн=249 А,
- активное сопротивление R1=0,394Ом,
- индуктивное Х1=0,081 Ом.
В качестве кабеля проложенного от пускателя и до двигателя используем гибкий кабель типа - КГЭШТ 3х25 длиной – 0,2км.
Iн=166 А,
R2=0,153Ом,
Х2=0,018 Ом.
Электрический двигатель представленный в нашей схеме – асинхронный двигатель типа 4А250М4:
R3=0,032Ом,
Х3=0,130 Ом.
Произведем предварительные расчеты с целю упрощения модели и ее реализации в математическом пакете MathCAD.
Рассмотрим первый вариант короткого замыкания –трехфазное замыкание.
Определим общие сопротивления фаз:
Активные сопротивления:
RA=R1+RE=0,394+0,0107=0,405 Ом
RB=R1+RE=0,394+0,0107=0,405 Ом
RC=R1+RE=0,394+0,0107=0,405 Ом
Индуктивные сопротивления:
XA=X1+XE=0,081+0,0403=0,121Ом
XB=X1+XE=0,081+0,0403=0,121Ом
XC=X1+XE=0,081+0,0403=0,121Ом
В таком случае структурная схема (рис 3 а.) может быть упрощена и приведена к следующему виду:
Рисунок 4 - Приведенная структурная схема
Рассмотрим второй вариант короткого замыкания –двухфазное короткое замыкание.
Определим общие сопротивления фаз:
Активные сопротивления.
RA=RE+R1+R2+(R3*R3)/(R3+R3) =0,0107+0,394+0,153+(0,032*0,032)/(0,032+0,032)=0,606Ом
RB=RE+R1+R2=0,0107+0,394+0,153=0,558Ом
RC=RE+R1+R2=0,0107+0,394+0,153=0,558Ом
Индуктивные сопротивления
XA=XE+X1+X2+(X3*X3)/(X3+X3) =0,0403+0,081+0,018+(0,103*0,103)/(0,103+0,103)=0,334Ом
XB=XE+X1+X2=0,0403+0,081+0,018=0,139Ом
XC=XE+X1+X2=0,0403+0,081+0,018=0,139Ом
И в этом случае структурная схема (рис3 б.) упрощается и будет иметь вид, представленный на рис. 4.
Далее математическая модель будет реализована в математическом пакете MathCAD с использованием метода графов.
Полученные в процессе моделирования графические результаты в значительной степени соответствуют реальной картине. На основе сравнительного анализа полученных результатов и данных представленных в работах, можно сделать вывод, что полученная, в результате проведенных идентификации и моделирования математической модели, программа может использоваться в реальных условиях, на предприятиях добывающей промышленности для расчета значений токов короткого замыкания и выбора уставок коммутационных аппаратов.
В ходе проведенного моделирования были получены следующие зависимости, представленные на рис. 5-10 (где рис 5-7 соответствуют фазам А, В, С сети при трехфазном коротком замыкании, а рис. 8-10 - фазам А, В, С сети при двухфазном коротком замыкании).
Рисунок 5 - Зависимость тока к.з. фазы А при от времени при трехфазном к.з.
Рисунок 6 - Зависимость тока к.з. фазы B при от времени при трехфазном к.з.
Рисунок 7 - Зависимость тока к.з. фазы C при от времени при трехфазном к.з.
Рисунок 8 - Зависимость тока к.з. фазы А при от времени при двухфазном к.з.
Рисунок 9 - Зависимость тока к.з. фазы B при от времени при двухфазном к.з.
Рисунок 10 - Зависимость тока к.з. фазы C при от времени при двухфазном к.з.
Таким образом, согласно требованиям нормативной документации уставка срабатывания 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, в ходе проведенных исследований мы пришли к выводу, что уставка блока защиты электросети участка шахты (I=800А) выбрана верно, и в случае, если на участке произойдет короткое замыкание, - блок максимальной защиты (в данном случае это ПМЗ – полупроводниковая максимальная защита) отключит подачу электроэнергии и предотвратит аварийную ситуацию. Блок сработает как в случае трехфазного, так и в случае двухфазного короткого замыкания.
Коммутационные аппараты также выбраны верно, что подтверждается тем, что коммутационные способности автоматического выключателя АВ (17000 А) и магнитного пускателя ПВИ (2500 А) ниже, чем значение трехфазного тока к.з. (1330 А). В этом случае при возникновении короткого замыкания коммутационные аппараты разомкнуться, не давая возможности протеканию тока к.з. Если бы это условие не выполнялось, то превышение тока к.з. коммутационных способностей автоматического выключателя и магнитного пускателя привело бы к тому, что коммутационный аппарат не смог бы отключиться из-за большой дуги.