Автореферат
Одним з основних засобів забезпечення електробезпеки у вугільних шахтах є захисне відключення з пристроєм компенсації струмів місткостей, який дозволяє знімати напругу з людини, що виявилася під напругою, а також знижувати струм до нормованого ГОСТ 22929-78 значення.
Актуальність даного дослідження полягає у тому, що застосування згаданих пристроїв може виявитися недостатнім унаслідок появи зворотної ЕДС обертання двигунів, значення якої може виявитися небезпечною з погляду поразки людини електричним струмом.[1] Причина полягає в особливостях основних електроспоживачів ділянки - це, як правило, асинхронні двигуни приводу різних машин. Після відключення напруги живлячої мережі ротори АД продовжують обертатися, що обумовлене запасом кінетичної енергії, генеруючи в мережу ЕДС обертання. Ця ЕДС, по-перше, підтримує у включеному стані контактори пускачів, а по-друге, живить аварійну точку, що негативно впливає на параметри електробезпеки.
Таким чином, мета мого дослідження - розробити систему, за допомогою якої можна понизити вірогідність електротравматизму і аварій.
Технологічний процес як об'єкт автоматизації. Мета проектування й вимоги до розроблювального пристрою автоматизації
Для електрифікації шахт застосовуються трифазні СЕС змінного струму з ізольованої нейтралью трансформатора.[2] Безпека експлуатації таких СЕС на відміну від мереж із заземленої нейтралью визначається не тільки ймовірністю дотику людини до елементів електроустаткування, що перебуває під небезпечною напругою, але й станом їхньої ізоляції щодо землі. Під струмами витоку розуміють струми, що проходять між елементами електроустаткування, електрично пов'язаними з фазами мережі й землею.[3] Зокрема, це струм через тіло людини, що доторкнулася, до елемента електроустаткування, що перебуває під напругою. Зі збільшенням Rиз фаз мережі щодо землі струми витоку й, отже, небезпека поразки електричним струмом, імовірність виникнення пожеж і вибухів рудничної атмосфери, викликаних струмами витоку, зменшуються. Ця обставина дозволяє забезпечити безпеку експлуатації шахтних СЕС за допомогою апаратур захисту від струмів витоку, що безупинно контролює їх Rиз щодо землі й виробляючого захисного відключень мереж у випадку виникнення небезпечних струмів витоку.
на ділянках шахт живляться від РП, що складаються з комплекту пускової й захисної апаратур, по кабелях обмеженої довжини (звичайно не більше 300...400 м). Тому провідність ізоляції фаз мережі щодо землі (активнa й ємнісна) може бути представлена як сума проводимостей ізоляції окремих відгалужень щодо невеликої довжини.[4] З огляду на, однак, що кількість електроустаткування, приєднаного до однієї КТП, може досягати 100, а загальна довжина кабельної мережі - декількох кілометрів, сумарна ємність шахтних дільничних електричних мереж НН щодо землі може бути досить значної й, як правило, коливається в межах 0,3...3 мкф, тобто 0,1...1 мкфна фазу. Тому, якщо не вжити заходів по зниженню ємнісних складових струмів витоку, ці струми будуть обумовлені саме ємністю мережі, а не активним Rиз
Еквівалентна схема шахтної дільничної мережі спільно із заземляючим контуром приведена на рис. 1. Вона містить еквівалентне трифазне джерело Е, що моделює дільничну підстанцію з врахуванням внутрішнього опору трансформатора, подовжнього Zl0 і поперечного Zu0 опорів кабелю, який пов'язує підстанцію з дільничним розподільним пунктом (УРП). Також аналогічно моделюються подовжні (Zl1, Zl2) і поперечні (Zu1, Zu2) опори кабелів, сполучаючих УРП з найбільш потужними
Анімований рисунок 1 — Еквівалентна схема шахтної дільничної мережі.
(Анімація GIF, 20 кадрів, 1 fps. MP Gif Animation)
На схемі рис. 1 індекси струмів відповідають номеру гілки досліджуваного ланцюга, номери опорів – струмам всіх гілок по фазах А, В, С. Токи заземляючого контура, які не можна віднести до якої-небудь конкретної фази, представлені вектором Iz з індексацією згідно з схемою рис. 1. Як основний варіант аварійної ситуації прийнято замикання на корпус першого механізму фази А, а на корпус другого механізму – фази З джерела живлення. На рис. 1. це імітується струмами I5 і I6, які відповідають струмам IA1 та IС2.
Вирогідність ураження людини електричним струмом визначається значенням струму й тривалістю його протікання. [6]Струм через людину залежить від активного Rиз й ємності мережі щодо землі. Необхідне значення активного Rизмережі забезпечується профілактичними заходами й контролюється апаратами захисту від витоків. Ємність мережі знижена бути не може, тому що визначається загальною довжиною кабельної мережі. Зниження впливу її на струми витоку досягається компенсацією ємнісних струмів.
Час протікання небезпечного струму витоку дорівнює сумі часів спрацьовування захисних апаратур, відключення нею мережі й зниження напруги в мережі, підтримуваного зворотної ЭДС обертових по інерції АД. [7]Останній доданок залежить від потужності, навантаження й параметрів АД й може досягати 3...5 с, а сума перших і других доданків не повинна перевищувати 0,2 с у мережах з лінійною напругою до 660 В и 0,12 ізіз напругою 1140 В.
Розглянемо причини виникнення й види витоків
Для виключення можливості вибуху рудничної атмосфери електричною дугою або іскрою, що виникають при нормальній роботі або ушкодженні електроустаткування, його елементи поміщають у спеціальні вибухонепроникні оболонки, які захищають також обслуговуючий персонал від випадкового дотику до струмоведучих частин. Тому при неушкодженому електроустаткуванні й виконанні інструкцій з його безпечного обслуговування людин може стосуватися тільки елементів, які нормально не перебувають під напругою (непрямий контакт). Ці елементи виявляються під напругою лише в результаті ушкодження ізоляційних деталей. Однак при порушенні інструкційабо ушкодженні електроустаткування може відбутися й прямий контакт людини зі струмоведучими частинами електроустаткування.
Таким чином, основними причинами виникнення струмів витоки є зниження активного Rиз елементів електроустаткування, механічне ушкодження або електричний пробій ізоляційних деталей і прямій контакт людини зі струмоведучими елементами.
Залежно від числа фаз зі зниженим Rизщодо землі витоку розділяються на три види: однофазна, двофазна й трифазна, коли ушкоджена ізоляція відповідно одній, двох або трьох фаз мережі.
В відношенні небезпеки поразки електричним струмом розрізняють опір ізоляції й опір трифазного витоку. Під першим розуміють опір фаз мережі щодо землі, складене з паралельно включених опорів безлічі справних ізоляційних деталей, а під другим - опори ушкоджених ізоляційних деталей, які визначають зосереджені в них струми витоку.
Струми витоку по їхньому значенню розділяють на два види:
1) тривалі слабкі струми, які не викликають спрацьовування захисних апаратур, і тому протікають протягом необмеженого часу;
2) короткочасні більші струми, які приводять до спрацьовування апаратів захисту від струмів витоку й відключенню мереж, що захищають ними,; час протікання цього струму визначається часом відключення мережі апаратом захисту й часом зниження зворотної ЕРС двигунів, приєднаних до цієї мережі.
Час відключення електричної мережі - це час від моменту виникнення небезпечного струму витоку до повного розриву ланцюга живлення мережі від силового трансформатора або КТП. Воно складається із часу спрацьовування апарата захисту від струмів витоку, тобто подачі команди на відключення мережі, і часу спрацьовування комутаційного апарата (автоматичного вимикача) з урахуванням часу гасіння дуги на його контактах.
Алгоритм роботи блока пам’яті і індикації
Рисунок 1 — Алгоритм роботи блока пам’яті і індикації.
Мікропроцесорний блок
Мікропроцесорний блок є одноплатниммікроконтролером. Принципова схема МПБ.
Рисунок 2 — Принципова схема Мікропроцесорного блоку
складається з однокристального мікропроцесора D6 фірми Atmel типа АТ90S853. Контроллера клавіатури D7, генератора тактової частоти на мікросхемі D8, мікросхем послідовного інтерфейсу RS232 і RS485 мікросхеми D1 і D2,програматор системи D3. Окрім цього, одноплатнийконтроллер дозволяє програмувати мікропроцесори типа АТ90S1200 і АТ90S4433.
Напруга зсуву нейтралі поступає на один з портів однокристального мікропроцесора через роз'єм Х5 (ланцюг 3, порт PA0). Сигнал керівник джерелом оперативної напруги знімається з порту PD. Одноплатниймікроконтролер включається в локальну мережу за допомогою послідовного інтерфейсу RS485 роз'єм Х1.
Принципова схема керованого джерела оперативної напруги
Керованим джерелом оперативної напруги є імпульсний перетворювач постійної напруги в керовану напругу з двома дискретними рівнями (+200В і -200В). Принципова схема керованого джерела оперативної напруги приведена на рис. 3.
Рисунок 3 — Принципова схема керованого джерела оперативної напруги.
Джерело складається з двох компенсаційних стабілізаторів напруги (D1, D2), задаючого генератора D3 з ключами VT1, VT2, імпульсного трансформатора Т і транзисторного інвертування VT3, VT4.
Кероване джерело працює таким чином. Постійна не стабілізована напруга живлення поступає на входи стабілізаторів і перетворяться в дві стабілізовані напруги. Одне для живлення задаючого генератора D3, інше для живлення вихідних ключів VT1, VT2, які перетворять постійну напругу в імпульсну з частотою 60 кГц. Імпульсна напруга поступає на первинну обмотку імпульсного трансформатора Т, що підвищує, і перетвориться в підвищену напругу з амплітудою 200В. вторинна напруга випрямляється випрямлячем з середньою крапкою (діоди VD3, VD4) і поступає на відповідні плечі транзисторного інвертування VT3, VT4. Стан інвертування управляється вхідними ключами VT7 і VT8 колекторні напруги яких розв'язані від базових напруг ключів VT3, VT4 за допомогою транзисторних оптронів VT5, VT6. Двухполуперіодний випрямляч на діодах VD1, VD2 і згладжуючий конденсатор С8 формує напругу для живлення світлодіодів оптронів VT5, VT6.
Дискретним управляючим сигналом можна змінювати полярність оперативної напруги (0 - «-200В», 1 - «+200В»).
Література
- Риман Я.С. Защита подземных электрических установок угольных шахт. М.: Недра, 1977. — 206с.
- Справочник энергетика угольной шахты: В 2 т. / В.С.Дзюбан, И.Г.Ширнин, Б.Н.Ванеев, В.М.Гостищев; Под общ. ред. канд. техн. наук Б.Н. Ванеева. — Изд. 2-е доп. и перераб. — Донецк: ООО "Юго-Восток, Лтд", 2001. 447 с.
- Щуцкий В.И., Волощенко Н.И., Плащанский Л.А. Электрификация подземных горных работ: Учебник для вузов — М.: Недра, 1986. — 364 с.
- Груба В.И., Калинин В.В., Макаров М.И. Монтаж и эксплуатация электроустановок: Учеб. для вузов. — М.: Недра, 1991. — 239 с.: ил.
- 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.
- Дзюбан В.С., Риман Я.С. Об электромагнитной постоянной времени затухания обратной э.д.с. шахтных электродвигате-лей. - В кн. Взрывобезопасное электрооборудование. Вып. 6 М., Энергия, 1969.
- Панфилов Д.И. и др. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях: Практикум на Electronics Workbench. Т1. Электротехника.- М.: ДОДЭКА, 1999.- 304 с.
- http://www.gaw.ru — рынок микроэлектроники
- http://www.elecab.ru — справочник электрика и енергетика
- http://ukrniive.com.ua — офіціальний сайт Український науково-дослідний, проектно-конструкторський і технологічний інститут вибухозахищеного та рудничного електрообладнання з дослідно-експериментальним виробництвом (УкрНДІВЕ)