Віляева Катерина Петрівна

Факультет: Комп'ютерних Інформаційних Технологій та Автоматики
Спеціальність: Автоматизоване управління технологічними процесами

Автореферат по темі магістерської роботи:

"Підвищення ефективності максимального токового захисту електротехнiчного комплексу дільниці шахти на основі автоматичного відключення зворотних енергетичних потоків електродвигунів споживачів"

Вступ

Гірнича промисловість є однією з найважливіших галузей, яка визначає рівень енергетичного потенціалу України. Підвищення ефективності ведення гірничих робіт, безпосередньо пов'язане зі збільшенням кількості електротехнічних установок шахт, підвищеної розгалуженості кабельних ліній, широким застосуванням силових перетворювачів частоти і тиристорних регуляторів напруги в електроприводах переважної більшості гірничих машин. Все це не тільки вимагає впровадження спеціальних технічних засобів, а й істотно впливає на стан електробезпеки експлуатації силових електротехнічних установок і дільничних електромереж шахти.

Обмеженість простору в гірничих виробках ділянки при недостатній освітленості значно ускладнюють монтаж, обслуговування і профілактичний ремонт електрообладнання. Через несвоєчасне усунення несправностей, які виникають в електрообладнанні, а також у результаті помилкових дій обслуговуючого персоналу в рудничному електрообладнанні виникають короткі замикання (к.з.) [1].

Актуальність

Очисна ділянка шахти характеризується наявністю великої кількості нестаціонарного (переміщуваного в процесі роботи) технологічного обладнання, у складі якого, як правило, експлуатуються асинхронні електродвигуни (АД). Це визначає наявність розгалуженої мережі гнучких кабелів. Однак в умовах шахти гнучкі кабелі найбільш схильні до пошкоджень, що обумовлює високу небезпеку електротравматизму і ймовірність виникнення міжфазних коротких замикань. Значні виділення теплової енергії в аварійному електричному приєднання здатні не тільки привести до пошкодження електрообладнання, але й викликати вибух метано-повітряної суміші або пожежу в шахті. Існуючі засоби максимального струмового захисту автоматичних вимикачів і пускачів дозволяють з високою швидкодією виявити коротке замикання [2]. Однак після захисного відключення аварійний стан електромережі не усувається. Причиною є наявність зворотних енергетичних потоків від раніше включених АД споживачів, які перебувають у стані вільного вибігу. Враховуючи, що активна потужність АД сукупності споживачів ділянки порівнянна з повною потужністю живильної трансформаторної підстанції, небезпека електропоражающего фактора і займання точки к.з. внаслідок дії цих струмів очевидна. У зв'язку з цим видається актуальним дослідження процесів у дільничній електромережі шахти, обумовлених дією зворотних енергетичних потоків після захисного відключення.

Цілі и задачі

Метою роботи є підвищення ефективності максимального струмового захисту електротехнічного комплексу дільнки шахти на основі відключення зворотних енергетичних потоків електродвигунів споживачів. Для вирішення поставленої мети ставимо такі завдання:

• вивчення елетротехнічного комплексу (ЕТК) ділянки шахти як об'єкта дослідження;
• вивчення особливостей протікання короткого замикання в ЕТК дільниці шахти і аналіз способів максимального струмового захисту;
• обгрунтування сукупності факторів, що впливають на аварійну точку ЕТК, обумовлених дією зворотних енергетичних потоків;
• розробка математичної моделі процесів в ЕТК при виникненні короткого замикання і теоретичне дослідження цієї моделі;
• експериментальне дослідження процесів в ЕТК дільниці шахти;
• практична реалізація результатів дослідження.

Предметом дослідження є процес короткого замикання і вплив зворотних енергетичних потоків з боку асинхронних двигунів як споживачів ЕТК дільниці шахти на аварійну точку.

Об'єкт дослідження - ЕТК дільниці шахти.

Предполагаєма наукова новизна

У роботі передбачається уточнення параметрів електротехнічного комплексу дільниці шахти, обумовлених зворотними енергетичними потоками асинхронних двигунів в процесі виникнення короткого замикання, включаючи вибіг асинхронного двигуна після захисного відключення; отримання інформаційного параметра для пристрою відключення цих зворотних енергетичних потоків.

Апробація результатів дослідження

Результати дослідження були представлені на конференціях і опубліковані у відповідних збірниках:

- Х міжнародна молодіжна наукова конференція «Севергеоекотех-2009», що проводив Ухтинській державний технічний університет 18-20 березня 2009р., в рамках V Північного соціально-екологічного конгресу;

- IX науково-технічна конференція аспірантів і студентів «Автоматизація технологічних об'єктів і процесів. Пошук молодих», що проводитв Донецький національний технічний університет 20 - 22 травня 2009р.;

- ХI міжнародна молодіжна наукова конференція «Севергеоекотех-2010», що проводив Ухтинській державний технічний університет 17-19 березня 2010р.

Аналіз досліджень і публікацій по темі

Класична теорія короткого замикання, що описує цей процес як сукупність виникнення періодичної і аперіодичної складових струму к.з., отримала розвиток в роботі [3], де особлива увага приділена питанню розподілу енергетичних потоків у разі к.з. в кабельній лінії, яка живить асинхронний двигун. Цей підхід знайшов відображення в роботі [4], де обгрунтовано модель процесу к.з. в шахтній дільничної електромережі, що враховує спільне вплив ЕРС обертання АД раніше включених споживачів після захисного відключення. Отримані діаграми зміни струму в аварійному приєднання [5] підтверджують актуальність обгрунтування параметрів і розробки спеціального захисного пристрою, здатного придушити вплив ЕРС обертання АД на точку к.з. після відключення мережі. У зв'язку з цим, потрібне уточнення параметрів струму в різних точках аварійного приєднання (вихід пускача; точка к.з.; клеми статора АД та ін).

Коротке замикання як предмет дослідження

Специфічні умови експлуатації підземних електричних установок шахт призводять до їх більш частих пошкоджень, ніж електроустановок інших підприємств. З усіх видів пошкоджень найбільш небезпечними за своїми наслідками є короткі замикання, так як вони в умовах підземних виробок шахт не лише викликають пошкодження рудничного обладнання, але й можуть стати причиною виникнення пожежі або вибуху. Тому захисту від струмів короткого замикання належить досить важлива роль у забезпеченні вибухо-і пожежобезпеки підземних електроустановок вугільних шахт.

Основною причиною виникнення коротких замикань в підземних електричних установках є механічні пошкодження. Руднична електрична апаратура та електродвигуни мають механічно міцні оболонки, що захищають їх активну частину від зовнішніх пошкоджень. У той же час у підземних виробках шахт експлуатуються багато кілометрів броніруємих і гнучких кабелів, оболонки яких мають недостатню механічну міцність. При цьому найбільшу аварійність мають гнучкі кабелі, що прокладаються безпосередньо в очисній ділянці. При пошкодженнях кабелів, крім однофазних, можливо появи міжфазних витоків, які переростають у струми коротких замикань. Крім того, струми коротких замикань можуть виникнути в результаті пошкодження кабелю породою або пачкою вугілля, що впала, а також забійними обладнанням або транспортними засобами, що переміщується .

У загальному випадку виникаючи при к.з. аварійні струми залежать від параметрів генеруючих джерел живлення, конфігурації електромережі і параметрів елементів, що входять до неї , виду к.з. і опору короткозамкненого ланцюга, фази ЕРС в момент виникнення к.з., наявності або відсутності приєднувальних навантаженнь.

При виникненні к.з. загальний електричний опір кола системи підземного електропостачання зменшується, що викликає збільшення струмів мережі. При цьому з моменту виникнення к.з. до моменту відключення пошкодженої ділянки в мережі існує перехідний процес. Характер протікання струму к.з. в мережі в значній мірі залежить від потужності живильної системи і опору короткозамкнений ланцюга.

Існуюча тенденція до підвищення потужності технологічних установок зумовлює зростання потужності їх електродвигунів, розгалуження дільничної електромережі, застосування більш протяжних кабелів, збільшення їх перетину, переклад електромережі на підвищені рівні напруги. У результаті знижуються струмообмежувальни властивості електромережі, підвищуються потужность та тривалість підживлення точки к.з. з боку статорів АД. Крім того, процес посилюється тим, що після захисного відключення деякий час можуть бути включені контактори магнітних пускачів внаслідок дії ЕРС обертання АД [6].

Розробка математичної моделі процесу короткого замикання і дії зворотних енергетичних потоків з боку електродвигунів споживачів

Дослідження дії зворотних енергетичних потоків у ЕТК дільниці шахти в процесі виникнення к.з. і після захисного відключення електричної мережі може бути здійснено засобами математичного і комп'ютерного моделювання. З метою розробки математичної моделі доцільно прийняти наступні допущення:

• На затискачах ДТП до моменту відключення АВ – симетрична трифазна напруга прямої послідовності номінального рівня з постійною амплітудою та частотою (зовнішня характеристика ДТП – абсолютна жорстка);
• Перехідні опори комутаційних апаратів (АВ і КМ) дорівнюють нулю; спрацювання вказаних комутаційних апаратів відбувається миттєво;
• Всі двигуни споживачів ввімкнені відповідними пускачами;
• Коротке замикання виникає в гнучкому кабелі між магнітним пускачем і АД відповідного приєднання;
• Контактори залишаються ввімкненими до моменту зниження напруги в мережі до рівня 0,4 від номінального значення;
• Захисне відключення мережі виконується тільки автоматичним вимикачем. Швидкодія відключення електромережі АВ є максимальною та не пере-вищує 0,05 с [7]. Тому підставою для останнього припущення є імовірність того, що в разі к.з. АВ встигає відключити мережу до того, як на аварійний процес в приєднанні зреагує захист пускача в сукупності з релейними елементами дистанційного керування та контактором.

Процес к.з. може бути представлений сукупністю станів, що змінюють один одного:

• Виникнення к.з., (протікання струму до точки к.з. від трансформатор);
• Продовження підживлення точки к.з. від трансформатора і протікання струму до точки к.з. від статора АД аварійного приєднання (процес триває до моменту захисного відключення електроживлення з боку трансформатора);
• Поява зрівняльних струмів, обумовлених зворотними ЕРС АД після захисного відключення напруги живлення;
• Підживлення точки к.з. тільки від АД аварійного приєднання (процес протікає після відключення контакторів пускачів суміжних приєднань).

Для дослідження процесів у дільничній електромережі шахти після її захисного відключення доцільно використовувати схему заміщення представлену на рис.1. Ця схема передбачає врахування всіх параметрів асинхронних двигунів (M1 - Mn) споживачів, таких як активні та індуктивні опори статорів (Rс; Xс); наведені активні та індуктивні опори роторів (R'r; X'r); індуктивні опору кола намагнічування (Xо ); ЕРС обертання (євр), індукованого на статорі кожного АД обертовим полем струмів ротора[5].

Моделювання перехідного процесу короткого замикання в мережі одного з двигунів проводиться замиканням контакту К в ланцюзі навантаження випрямувача VC. Така схема дозволяє отримати абсолютну симетрію фазних струмів короткого замикання в аварійній точці ( виключається вплив різних опорів контактів і їх брязкіт при використанні трифазного короткозамикачем).

Рисунок 1 – Схема заміщення електротехнічного ділянки шахти для дослідження процессa короткого замикання після захисного відключення ( Рисунок анімований, кількість кадрів - 17; затримка між кадрами - 500 мс; об'єм - 91,8 Кб, розмір - 767x498, повторення анімації - нескінченно)

Анімоване зображення на малюнку 1 дозволяє наочно відобразити процес протікання трифазного короткого замикання і дію зворотних енергетичних потоків на аварійну точку. Як видно, при замиканні контакту К в ланцюзі навантаження випрямляча VC, в досліджуваній ділянці виникає трифазне к.з. Точка к.з. отримує живлення з боку трансформаторної підстанції і одночасно від статора АД. Після спрацьовування захисного відключення в АВ, підживлення точки к.з. здійснюється тільки від АД аварійного приєднання.

Особливістю застосування пускачів є те, що їхні схеми, отримуючи живлення від ЕРС обертання (євр) АД (формула 1):

(1)

где р – число пар магнітных полюсів АД; is и ir – токи статора и ротора; L - индуктивність головного магнитного поля в розрахунку на фазу АД; А – індекс фазы «А».

Ця ЕРС утримує контактори КМ у включеному стані деякий час після відключення напруги живлення мережі. Будемо вважати, що напруга відключення кожного контактора знаходиться в межах 0,4-0,6 від номінальної напруги мережі, і відключення контакторів відбувається стохастично.

У результаті дослідження комп'ютерної моделі отримані наступні залежності: діаграма струму, що протікає з боку живлячого трансформатора до аварійної точці (рис. 2), діаграми струму, що протікає з боку статора АД аварійного приєднання до аварійної точці (рис.3), діаграма струму у точці короткого замикання (рис. 4):

Рисунок 2 – Діаграма струму, що протікає з боку живлячого трансформатора до аварійної точці

Рисунок 3 – Діаграми струму, що протікає з боку статора АД аварійного приєднання до аварійної точці

Рисунок 4 – Діаграма струму у точці короткого замикання

Практичний інтерес представляє процес зміни струму АД в момент виникнення к.з. в кабелі живлення. Перехід АД зі стану роботи при номінальному навантаженні в стан електроживлення точки к.з. у кабелі (рис.3) супроводжується сплеском струму, відсутністю бестоковой паузи та інтенсивним зниженням струму по амплітуді і частоті на інтервалі 0,1 с (для АД типу 2ЕКВ4УС2).

Струм в точці к.з. (рис. 4) є сумою струмів, спрямованих від трансформаторної підстанції і від АД, відповідно.

Очевидно, що аварійна точка кабелю, підключеного до АД, може бути знеструмлена після захисного відключення напруги живлення у випадку, якщо зворотний енергетичний потік двигуна буде відведен на штучний ланцюг короткого замикання (на вводі статора АД) або інше навантаження, наприклад, попередньо не заряджене трифазне ємнісне приєднання. Структура моделі, адаптована до умов справжніх досліджень, представлена на рис.5. Зокрема представлена схема відключення зворотних енергетичних потоків за допомогою створення ланцюга примусового короткого замикання на вводі АД у разі виникнення к.з в кабелі двигуна і наступним відключенням захисту мережі[8].

Рисунок 5 - Структура комп'ютерної моделі дослідження аварійного режиму і відключення зворотних енергетичних потоків шляхом створення ланцюга примусового короткого замикання на вході АД

Висновок

Визначення функціональних можливостей засобів відключення зворотних енергетичних потоків на основі моделювання процесів в розрахунковій схемі є предметом подальших досліджень. Отримані результати моделювання можуть бути прийняті за основу обгрунтування параметрів, на які має реагувати пристрій придушення ЕРС обертання АД.

Бібліографічні посилання

1. Риман Я.С. Защита подземных электрических установок угольных шахт. / Я.С. Риман. – М.: «Недра», 1977. – с. 5-11.
2. Бильдей Е.Е, Виляева Е.П Исследование особенностей влияния обратных энергетических потоков на аварийные процессы в электротехническом комплексе шахты после защитного отключения // Х международная молодежная конференция «Севергеоэкотех-2009»: материалы конференции (18-20 марта 2009г., Ухта): в 4 ч.; ч 1. – Ухта УГХТУ 2009.- 436 с.
3. Перехідні процеси в системах електропостачання: Підручник для вузів. Вид.2-е, доправ. та доп. / Г.Г Півняк, В.М.Винославський, А.Я. Рибалко, Л.І. Несен / За ред. Академіка НАН Украйни Г.Г. Півняка. – Дніпропетровськ: Національний гірничий університет, 2002. – с. 82 – 103.
4. Маренич К.Н. Обоснование структуры модели процесса короткого замыкания в электротехническом комплексе участка шахты / Маренич К.Н., Ковалева И.В. // наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Гірничо-електромеханічна» Випуск 12(113). - Донецьк: ДонНТУ, 2006. – С. 179-185
5. Маренич К.Н., Ковалева И.В. Моделирование процесса короткого замыкания в низковольтном электротехническом комплексе шахты с учетом влияния электропотребителя // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 7(128), серія електротехніка та енергетика. - Донецьк: ДонНТУ, 2007. - с. 146-149.
6. Маренич К.Н. Моделирование процесса короткого замыкания в электротехническом комплексе участка шахты во время выбега электродвигателя потребителя / [Маренич К.Н., Ковалёва И.В.]; под общ. ред. акад. НАН Украины Г.Г. Пивняка. - Донецк ООО «Юго-Восток, Лтд» 2005. – С. 84-88, - (Взрывозащищённое электрооборудование) (сб. науч. тр. УкрНИИВЭ)
7. Справочник энергетика угольной шахты / [Дзюбан В.С., Ширнин М.Г., Ванеев Б.К., Гостищев В.М.]; под общ. ред. Б.Н.Ванееа – [2-е изд.] – Донецк, ООО «Юго-Восток Ltd.», 2001, - Т1. – с. 339-411
8. Бильдей Е.Е, Виляева Е.П . Исследование функциональных возможностей технических средств подавления обратных энергетических потоков асинхронных двигателей // Х международная молодежная конференция «Севергеоэкотех-2010»: материалы конференции (18-20 марта 2010г., Ухта): в 4 ч.; ч 1. – Ухта УГХТУ 2009.- 436 с.
9. Lugo Nunez, David Rush. High power density and overcurrent protection challenges in the design of a three-phase voltage source inverter for motor drive applications. Blacksburg, Va. : University Libraries, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2007. - 396с. - [Електроний ресурс] - Режим достура http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/
10. Дьяконов В. П. MATLAB 6.5 SP1/7.0 + Simulink 5/6 в математике и моделировании / В. П. Дьяконов - M.:Солон-Пресс, 2005. - 576с - [Електроний ресурс] - Режим доступа http://itbookz.ru/math/matlab/

Примітка

При написанні даного автореферату кваліфікаційна робота магістра ще не завершена. Дата завершення роботи: 1 грудня 2010 року.

---