АВ – автоматический выключатель
АД – асинхронный двигатель
ДТП – участковая трансформаторная подстанция
КМ – контактор магнитный
МП - магнитный пускатель
РП - распределительный пункт
ЭДС – электродвижущая сила
ЭТК – электротехнический комплекс
Существующие средства максимальной токовой защиты не способны полностью обесточить точку короткого замыкания (к.з.) в участковой низковольтной электросети, а, следовательно, не могут обеспечить безопасность эксплуатации электрооборудования. Это обусловлено особенностями потребителей участка шахты – преимущественно асинхронные двигатели. После защитного отключения автоматическим выключателем электропитания со стороны трансформаторной подстанции роторы электродвигателей продолжают вращаться, что является следствием накопленной кинетической энергии. Происходит реверс энергетических потоков от статоров электродвигателей, и они сами становятся электроэнергетическими установками, генерирующими обратные ЭДС в сеть. Величина этих ЭДС позволяет поддерживать во включенном состоянии контакторы пускателей и подпитывать точку короткого замыкания, что недопустимо в условиях шахты.
Актуальность исследования воздействия обратных ЭДС асинхронных двигателей на точку к. з. обусловлена снижением токоограничивающих свойств электросети (повышение мощности технологических установок приводит к росту мощности их двигателей, разветвление участковой электросети, применение более протяженных кабелей, увеличение их сечения, перевод электросети на повышенные уровни напряжения), а, следовательно, и увеличением продолжительности подпитки точки короткого замыкания со стороны статоров АД [9]. Таким образом, необходимо обосновать эффективное техническое решение в области ограничения параметров аварийного процесса короткого замыкания после защитного отключения электросети.
Исследования явлений в электротехническом комплексе участка шахты рационально проводить методами компьютерного моделирования. Такой подход позволяет получить универсальные зависимости, характеризующие процессы в рассматриваемой системе, вне зависимости от конкретных параметров отдельных ее элементов.
Математическое моделирование позволяет производить исследование процессов в системах, где проведение натурного эксперимента затруднено. Также предварительное математическое моделирование позволяет избежать ошибок при проведении опытов на реальных объектах и сохранить работоспособность используемого оборудования.
Объектом исследования является электросеть участка шахты, предназначенная для передачи электроэнергии от участковой трансформаторной подстанции ко всем потребителям участка. В состав низковольтной участковой электросети входит совокупность автоматических выключателей, магнитных пускателей, асинхронных двигателей, кабельных линий и другого электрооборудования напряжением до 1140 В [3].
Условия эксплуатации рудничного электрооборудования в подземных выработках шахт существенно отличаются от условий эксплуатации электрооборудования на других предприятиях [1].
Рудничное электрооборудование устанавливается в выработках, многие из которых имеют ограниченные размеры, высокую влажность воздуха, значительное содержание в атмосфере угольной пыли. Рудничное электрооборудование и кабели подвергаются значительным механическим воздействиям, возникающим при обрушении пород или пачек угля, а также при взрывных работах. Нестационарное рудничное электрооборудование непрерывно или периодически перемещается по выработкам совместно с горными машинами и механизмами или независимо от них.
Многие угольные шахты опасны по газу или пыли. Специфической особенностью таких шахт является возможность образования в атмосфере выработок взрывоопасной концентрации метана или смеси воздуха с определенным количеством взрывчатой пыли.
Применение электрической энергии в таких выработках создает значительные опасности поражения людей электрическим током, возникновения пожаров и взрывов рудничной атмосферы.
Схемы электроснабжения участков шахт весьма разнообразны и определяются способом подготовки шахтного поля, системой разработки, числом токоприемников, принятым рабочим напряжением сети и другими факторами.
В настоящее время электроснабжение участков осуществляется по магистральным, радиальным и смешанным схемам [7]. На рисунке 1 приведены структурные схемы электроснабжения участков, в которых относящееся к распределительному пункту электрооборудование объединено в одну группу.
Наиболее рациональными принципами построения схем электроснабжения участков шахт считаются следующие: применение глубокого ввода высокого напряжения за счет наиболее близкого расположения трансформаторных подстанций к распределительному пункту участка; раздельное питание потребителей очистного и подготовительных забоев; раздельное питание потребителей лавы и остальных потребителей добычного участка (при конвейерном транспорте); независимое питание потребителей лав (при спаренных лавах).
Указанные мероприятия не только повышают надежность электроснабжения, но и в значительной степени улучшают условия обеспечения защиты шахтных участковых сетей.
Специфические условия эксплуатации подземных электроустановок шахт приводят к тому, что в них чаще возникают повреждения, чем в электроустановках других предприятий.
Ограниченность пространства в горных выработках при недостаточной освещенности значительно усложняет монтаж, обслуживание и профилактический ремонт рудничного электрооборудования [8]. Несвоевременное устранение возникших неисправностей, влияние влажной атмосферы и угольной пыли, которому в условиях эксплуатации подвергается рудничное электрооборудование и кабели, приводят к возникновению токов утечки, которые при определенных условиях могут перерастать в токи короткого замыкания.
Основной причиной возникновения коротких замыканий в подземных электрических установках являются механические воздействия. Рудничная электрическая аппаратура и электродвигатели имеют механически прочные оболочки, защищающие их активную часть от внешних воздействий. В то же время в подземных выработках шахт эксплуатируются многие километры бронированных и гибких кабелей, оболочки которых имеют недостаточную механическую прочность.
При эксплуатации подземных электроустановок шахт возникают следующие виды междуфазных к.з.:
В общем случае возникающие при к.з. аварийные токи зависят от параметров генерирующих источников питания, конфигурации электрической сети и параметров входящих в нее элементов, вида к.з. и сопротивления короткозамкнутой цепи, фазы ЭДС в момент возникновения к.з., наличия или отсутствия присоединенной нагрузки.
Надежность работы подземных электрических установок должна обеспечиваться правильным их выбором, монтажом и эксплуатацией. При этом необходимо оценивать и учитывать опасные последствия, связанные с возникновением к.з., при которых аварийные токи могут значительно превышать нагрузку нормального режима.
Защита от коротких замыканий шахтной участковой низковольтной электросети осуществляются средствами максимальной токовой защиты, установленными в рудничном автоматическом выключателе, в распределительном устройстве низшего напряжения участковой трансформаторной подстанции и в рудничных магнитных пускателях (МП). Поэтому в случае возникновения к.з. в гибком кабеле присоединения, в зависимости от быстродействия срабатывания защит, возможны следующие варианты:
Общий подход к математическому описанию переходных процессов при возникновении к.з. изложен в исследовании [1]. Он предполагает учет ударного тока к.з. как совместное проявление его апериодической и периодической составляющих. В исследовании [2] рассмотрены особенности изменения энергетических потоков при возникновении к.з. Однако рассмотрена локальная электросеть, не учитывается подпитка точки к.з. со стороны двигателей смежных потребителей, не учитывается состояние самих этих двигателей (возможное торможение коротким замыканием).
В совокупности существенное влияние на процессы оказывают контакторы магнитных пускателей смежных потребителей, включенное состояние которых определяется уровнем обобщенной ЭДС в электросети в процессе возникновения и последующего протекания к.з. Указанные особенности процесса не исследованы в известных работах и нуждаются в дополнительном изучении.
Целью исследования является установление характера и количественных параметров процесса к.з. в электротехническом комплексе технологического участка шахты с учетом специфики формирования энергетических потоков со стороны асинхронных двигателей потребителей участка в режиме их свободного выбега.
Для достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:
Вводим следующие допущения:
Автоматический выключатель обладает максимальным быстродействием отключения (не более 0,05 с) [3]. Поэтому основанием последнего допущения служит вероятность того, что в случае к.з. АВ успевает отключить сеть до того, как на аварийный процесс в присоединении прореагирует защита пускателя в совокупности с релейными элементами дистанционного управления и самим контактором. В результате, пускатель аварийного присоединения может остаться включенным до момента достижения снижающейся обратной ЭДС АД потребителей предельного уровня, (обычно, около 40 % от величины номинального напряжения сети).
Практический интерес представляет процесс возникновения и последующего протекания к.з. в гибком кабеле разветвленной электросети, содержащей совокупность n асинхронных двигателей (М1 – Мn) потребителей (рис. 2).
Процесс к.з. может быть представлен совокупностью сменяющих друг друга состояний:
Исследование процесса может быть осуществлено на основе использования расчётных схем соответствующих состояний электротехнического комплекса участка шахты. В качестве базовой примем схему замещения ЭТК в состоянии трёхфазного замыкания между источником электропитания и АД потребителя (рис. 3) [2].
До момента защитного отключения АВ потери напряжения в трансформаторе(
Uтр),
магистральном кабеле (Uмк) определяются совокупностью токов в соответствующих
функциональных узлах, включая ток к.з. Потеря напряжения в гибком кабеле (Uгк)
цепи электропитания точки к.з. определяются током к.з.(Iкз(3)) аварийного присоединения:
 |
(1) |
 |
(2) |
 |
(3) |
где
 |
- коэффициент мощности электросети участка в режиме короткого замыкания в присоединении; |
кз - коэффициент мощности аварийного присоединения;
Pн ост.i - сумма номинальных мощностей смежных потребителей;н ост.i - номинальные коэффициенты мощности соответствующих смежных (остальных) потребителей.
Уравнение напряжения фазы короткозамкнутого участка имеет вид:
 |
(4) |
Решение данного уравнения можно представить в виде:
 |
(5) |
к
- угол сдвига тока относительно напряжения соответствующей фазы в этой цепи;
- фаза включения к.з.; Тa(u)=xк /
(
rк ) - постоянная времени цепи к.з. - параметр скорости
затухания экспоненты свободной составляющей тока к.з. от трансформатора.
Начиная с момента возникновения к.з. АД аварийного присоединения прекращает получать электропитание и выполняет функции электоэнергетической установки, кенерирующей экспоненциально учывающую обратную ЭДС в "зашунтированный" участок сети к точке к.з. В этом участке процессы описываются выражением:
| iк(н) rн + Lн diк(н) / dt=0 | (6) |
Решение данного уравнения относительно тока:
| iк(н) = ia(t=0) exp( - t / Ta(н) ) | (7) |
Ток iк(н) является свободным и затухает с постоянной времени:
| Ta(н) = xн / ( rн ) |
(8) |
Таким образом, полный ток в точке к.з. на интервале от начала процесса до точки отключения сети автоматическим выключателем состоит из следующих составляющих:
 |
(9) |
Электропитание АД смежных потребителей характеризуется потерями напряжения в трансформаторе, магистральном кабеле в соответствии с (1;2), а также в соответствующих гибких кабелях.
С момента защитного отключения сети автоматическим выключателей все АД переходят в режим выбега, чему соответствует схема замещения ЭТК с учетом влияния обратных ЭДС АД (рис.4).
 |
(10) |
где р – число пар магнитных полюсов АД; is и ir – токи статора и ротора; L0 – индуктивность главного магнитного поля в расчете на фазу АД; А – индекс фазы «А».
Рассматривая АД потребителей в качестве генерирующих электроэнергетических установок, следует учитывать индивидуальный характер экспонент снижения обратных ЭДС, обусловленный соответствующими постоянными времени двигателей. Однако, на интервале включенного состояния контакторов КМ1-КМn пускателей (рис.2) все АД генерируют обратные ЭДС на общую короткозамкнутую сеть (рис.4). Этим вызвано существование в ней уравнительных токов, которые обусловлены общей обратной ЭДС АД. Модель и аналитическое выражение последней получены в исследовании [6] и должны быть адаптированы к параметрам нагрузки, представляющей собой активно-индуктивные сопротивления кабелей от АД до точки к.з.
На интервале после отключения контакторов магнитных пускателей электропитание точки к.з. осуществляется обратной ЭДС АД аварийного присоединения, что учитывается соответствующей составляющей выражения (9).
При обосновании структуры модели процесса короткого замыкания в силовом присоединении электротехнического комплекса технологического участка шахты учтены значимые факторы влияния. К их числу относятся совместно действующие обратные ЭДС асинхронных двигателей смежных потребителей, формирующие обратные энергетические потоки электропитания точки к.з.
Полученные составляющие модели применительно к обоснованной последовательности характерных состояний процесса позволяют получить диаграммы изменения тока в точке к.з. в течение всего интервала его существования, что и является предметом дальнейшего исследования. В перспективе модель процесса может быть скорректирована для исследования характера изменения тока двухфазного к.з. в силовом присоединении ЭТК участка шахты.