Реферат | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание

НАСТРОЙКА БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩЕГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ТРЕХФАЗНОГО КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ 480, 600 И 1040 В ПЕРЕМЕЩАЮЩИХСЯ КАБЕЛЕЙ

Джордж Фезак, Уильям Хелфрич, Уильям Вилчек, Дэвид Деуч Американское Министерство внутренних дел Управление содействия безопасности разработки полезных ископаемых Арлингтон, Вирджиния

РЕФЕРАТ

     Рассмотрены существующие Федеральные инструкции, устанавливающие максимальные параметры быстродействующего автоматического выключателя для защиты от короткого замыкания шахтных перемещающихся кабелей. Проанализированы особенности шахтных систем электроснабжения, ограничивающие токи короткого при трехфазном коротком замыкании в перемещающихся кабелях, определены и сведены в таблицу минимальные токи, ожидаемые при трехфазном коротком замыкании в перемещающихся кабелях для 480, 600 и 1040 В. Предложены новые значения мгновенных токов короткого замыкания и характерные для них значения стойкости автоматических выключателей с учетом безопасности. Наконец, обсуждены типичные схемы электроснабжения шахт и приведены результаты промышленных испытаний.

ВВЕДЕНИЕ

     Перемещающиеся кабели, входящие в состав электрооборудования лавы, подвергаются более серьезному обслуживанию, чем кабели, использующиеся на поверхности. Нормальный режим эксплуатации движущегося горношахтного оборудования подвергает перемещающийся кабель чрезмерным силам растяжения, серьезному трению, а также частому сгибанию, скручиванию и порыву. В результате такого использования повреждения в перемещающихся кабелях происходят намного чаще, чем в кабелях и проводке, использующихся стационарно.
     Из различных повреждений, происходящих в перемещающихся кабелях, короткое замыкание самое опасное. Энергия, израсходованная при коротком замыкании в перемещающемся кабеле, способна воспламенить угольную пыль, находящуюся в воздухе, и пыль, находящуюся на почве, а также уголь, эмульсию и другие горючие материалы, используемые при работе горных машин. В 1952-1969 гг. исследовало 265 шахтных пожаров, вызванных короткими замыканиями в перемещающихся кабелях. В результате этих пожаров 13 человек погибло, 50 получили ранения.
     Если дуга от короткого замыкания выйдет за пределы оболочки перемещающегося кабеля, и атмосфера будет содержать взрывоопасную концентрацию метана, то возможно произойдет воспламенение. В «Электрических опасностях в угольных шахах» [1], Масон сообщает, что в течение 1952-1968 гг. 21 случай воспламенения и взрыва метана были вызваны короткими замыканиями в перемещающихся кабелях. В результате этих случаев 9 человек погибло, 18 получили ранения.
     Даже если короткое замыкание в протяженном кабеле не вызывает огонь или воспламенение метана, энергия, возникающая в результате короткого замыкания, может привести к сгоранию кабеля в области возникновения короткого замыкания, а также вызвать световые ожоги рук и глаз у людей.
     Высокая частота коротких замыканий в перемещающихся кабелях, а также потенциальные опасности, вызванные короткими замыканиями, делает защиту перемещающихся кабелей от короткого замыкания очень важной. Важность такой защиты была признана много лет назад, и требования к такой защите были включены в Федеральные стандарты для допустимого оборудования лавы, начиная со списка 2C [2] Горного бюро США, написанного в 1930 г. Однако, он не действовал до тех пор, пока не был подписан Федеральный закон о здоровье и безопасности при работе в угольных шахтах в 1969 г., который устанавливал, что защита от короткого замыкания перемещающихся кабелей необходимо подбирать в соответствии с Федеральным законом.
     Раздел 306 (b) закона требует, чтоб для каждого перемещающегося кабеля была предусмотрена защита от короткого замыкания посредством автоматического выключателя или другого не менее эффективного устройства, одобренного Министром внутренних дел, но не определяет тип выключателя или максимальные уставки. Однако, эти требования были развиты и провозглашены в соответствии с полномочиями и ответственностью, данной Министру внутренних дел законом включены в «Обязательные требования безопасности для угольных шахт» (Глава 30, Свод Федеральных постановлений (СФП), часть 75).
     Раздел 75.601-1, 30 СФП 75 определяет максимальные допустимые мгновенные настройки автоматических выключателей, которые обеспечивают защиту перемещающихся кабелей от короткого замыкания. Эти настройки были определены с учетом 50 %-го запаса прочности к току при междуфазном коротком замыкании, вычисленному при бесконечной емкости кабеля из двух проводников, напряжении питания 250 В и длине кабеля 500 фт. 50%-ый запас прочности был включен для расчета полного сопротивления системы электроснабжения, падения напряжения, уставок тока выключателей и т. д. Кроме того, были определены максимальные уставки тока выключателя 2500 A. Раздел 75.601-1, 30 СФП 75, также содержит условия использования более высоких уставок, когда специальные устройства поддерживают их.
     Когда в 1969 г. начал действовать Федеральный закон о здоровье и безопасности в угольных шахтах, количество возгораний метана в шахтах, вызванные короткими замыканиями в перемещающихся кабелях, значительно сократилось. С 1970 г. возникло только девять возгораний, вызванных короткими замыканиями в перемещающихся кабелях. Эти возгорания не привели к жертвам или каким-либо повреждениям. В течении того же периода не было возгораний метана, вызванных короткими замыканиями в перемещающихся кабелях. Очевидно, что усовершенствование защиты от коротких замыканий в перемещающихся кабелях, шахтной системы вентиляции, противопожарной защиты, вызванные Федеральный закон значительно уменьшили количество серьезных коротких замыканий. Однако, отчеты о несчастных случаях за 1972-1973 гг [1] указывают на то, что повреждения перемещающихся кабелей продолжают приводить к существенному числу солнечных ожогов и электрических ожогов рук и глаз шахтеров.
     Хотя максимальные уставки выключателя, определенные в Разделе 75.601-1, 30 СФП 75, установлены для расчетного тока короткого замыкания при 250 В постоянного тока, они применяются для уставок выключателя, работающего со всеми перемещающимися кабелями, включая кабели, подающие трехфазное напряжение 480, 600 и 1040 В. Существенное сокращение частоты воспламенений метана в шахтах, вызванных короткими замыканиями в перемещающихся кабелях, указывает на то, что уставки, определенные в Разделе 75.601-1, 30 СФП 75, обеспечивают достаточную защиту от коротких замыканий в трехфазных перемещающихся кабелях. Однако, исследования коротких замыканий, проводимые инженерами-электриками MESA, показали, что в определенных случаях эти уставки не обеспечивают надежного коэффициента безопасности для трехфазных перемещающихся кабелей.
     Есть другие случаи, в которых уставки, определенные в Разделе 75.601-1, 30 СФП 75, ниже необходимых, способных обеспечить надежную защиту от коротких замыканий в трехфазных перемещающихся кабелях на напряжение 480, 600 и 1040 В. В некоторых таких случаях было необходимо увеличить уставки выключателя, чтобы устранить неприятные выключения в результате скачков тока при пуске машины или рабочего тока.
     Этот документ попытается быть полезным в новой таблице максимальных уставок тока для автоматических выключателей для защиты от трехфазного короткого замыкания на 480, 600 и 1040 В в перемещающихся кабелях. Новая таблица основана на анализе минимального ожидаемого тока короткого замыкания в трехфазных перемещающихся кабелях и параметров автоматических выключателей, которые обычно обеспечивают защиту от коротких замыканий. Документ также обговорит условия, при которых максимальные уставки выключателя могут быть уменьшены для обеспечения достаточного коэффициента безопасности, а также условия, при которых максимальные уставки могут быть увеличены, не жертвуя безопасностью.

МИНИМАЛЬНЫЙ ОЖИДАЕМЫЙ ТОК КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

     TТребования к защите от коротких замыканий перемещающихся кабелей налаживают ограничения на выбор максимальных уставок тока. Условия безопасности требуют, чтобы автоматический выключатель срабатывал при минимальном токе короткого замыкания. Следовательно, указанные настройки выключателя должны учитывать погрешность автоматического выключателя, а также много других факторов, ограничивающих ток короткого замыкания, включая тип и месторасположение повреждения кабеля, сетевое напряжение, сопротивление системы электроснабжения, сопротивление участковых подстанций и сопротивление перемещающегося кабеля.
     SУсловия безопасности не могут быть поставлены под угрозу. Однако малое время срабатывания автоматического выключателя требует, чтобы время срабатывания выключателя было больше времени пуска и/или периода скачков рабочего тока машины, питающейся от перемещающегося кабеля. Иначе, постоянные выключения требовали бы большей длины кабеля, чем необходимо для данной емкости по току.
     Ввиду вышеизложенного, любое табулирование максимальных допустимых уставок тока выключателя должно учитывать параметры, чтобы гарантировать, что в большинстве ситуаций уставки выключателя обеспечат необходимую защиту, не будучи при этом чрезмерно ограниченными. С другой стороны, таблица должна быть изложена просто и кратко, чтобы ее было легко использовать. Также очевидно, что занесение в таблицу максимальных уставок тока было бы неполноценным без исследования коротких замыканий в шахтных системах электроснабжения, чтобы определить каждую уставку выключателя.

Определение минимального ожидаемого тока короткого замыкания

     Расчеты минимального ожидаемого тока короткого замыкания отличаются от общих расчетов, используемых для определения необходимых уставок тока автоматического выключателя. В последнем случае глухое металлическое короткое замыкание, приводящее к максимальному току короткое замыкание (обычно трехфазное короткое замыкание), используется как основное для расчетов. Местоположение короткого замыкания, приводящее к максимальному току КЗ, определено. Кроме того, ток короткого замыкания двигателей, подключенных к системе электроснабжения, суммируется с током короткого замыкания самой системы электроснабжения. Однако, при вычислении минимального ожидаемого тока короткого замыкания, расположение короткого замыкания и условия его возникновения должны использоваться как основания при расчетах.

Межфазные короткие замыкания

     Из различных коротких замыканий, которые могут произойти в перемещающемся трехфазном кабеле, короткое замыкание между фазой и нейтралью приводит к самому низкому току, так как этот ток ограничен резистором цепи заземления нейтрали до 25 А или меньше в соответствии с требованиями Раздела 75.901, 30 СФП 75. Кроме того, Раздел 75.900, 30 СФП 75, требует, чтобы все подземные цепи низкого и среднего напряжения были оборудованы дугогасительными катушками. Но, так как защита от короткого замыкания обеспечивается несколькими устройствами, чувствительными к низкой величине тока, нет необходимости устанавливать низкие величины уставок тока. Кроме короткого замыкания между фазой и нейтралью, междуфазовое короткое замыкание приводит к самому низкому току. Следовательно, это минимальный ожидаемый ток междуфазового короткого замыкания, который должен использоваться для определения максимальных уставок тока автоматического выключателя, чтобы обеспечить защиту перемещающегося кабеля.
     Вычисление тока междуфазного короткого замыкания в трехфазных цепях широко рассматривается в других источниках. Поэтому ниже представлено только общее уравнение.

где I_ФФ – ток междуфазового короткого замыкания;
E_ФФ – фазовое напряжение;
K_A – коэффициент замыкания через дугу;
Z₁ – полное положительное сопротивление элементов;
и Z₂ – полное отрицательное сопротивление элементов.

     Необходимо подчеркнуть, что коэффициент замыкания через дугу ( ) используется в традиционном уравнении тока междуфазного короткого замыкания для учета уменьшения тока короткого замыкания из-за сопротивления, возникающего при возникновении дуги.
     Отрицательное сопротивление статического элемента в сети (трансформатор или кабель) равно положительному сопротивлению элемента (Z₂=Z₁). Но положительные и отрицательные сопротивления динамических элементов сети (двигатель или генератор) в действительности отличаются. Различие существенно лишь тогда, когда короткое замыкание возникло близко к генератору. Когда система электроснабжения шахты питается от внешней системы электроснабжения, разница между положительным и отрицательным сопротивлением элементов, а, следовательно, полное сопротивление генераторов, незначительно. Следовательно, можно точно предположить, что полное отрицательное сопротивление элементов равно полному положительному их сопротивлению. Это позволяет упростить уравнение (1):

     IВ случае, когда система электроснабжения шахты питается от локально расположенного генератора, для вычисления тока междуфазного короткого замыкания необходимо провести анализ, учитывающий переходные и сверхпереходные сопротивления элементов генератора.

ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ