Автор: Маренич К.Н., Руссиян С.А.
Источник: Моделирование коммутационного процесса как фактора нестабильности параметров защиты электросети
С целью обеспечения высокого уровня безопасности эксплуатации в шахтных участковых электрических сетях предусмотрен режим изолированной нейтрали трансформатора с обязательным применением защиты от утечек тока на землю. В современных аппаратах защитного отключения (АЗО) реализуется принцип контроля величины оперативного тока, подаваемого в сеть, и сопоставления её с величиной предельно допустимого тока, циркулирующего по внутреннему контуру АЗО. Факторами, приводящими к увеличению оперативного тока АЗО, обычно являются: ухудшение изоляции в ответвлении электросети участка шахты либо появление однофазной утечки тока на землю, например, вследствие касания человеком токоведущего элемента, находящегося под напряжением.
Однако имеются и другие факторы, проявление которых способно вызвать срабатывание АЗО. К ним относятся коммутационные перенапряжения, вызванные контакторным включением и отключением асинхронных двигателей потребителей участка. Такие процессы сопровождаются кратковременным повышением контролируемого параметра в АЗО и способны вызвать ложное срабатывание защиты при наличии определённых параметров сети, обусловленных её конфигурацией [1].
Основным коммутационным узлом низковольтной электросети участка шахты является контактор пускателя. Неодновременность гашения дуги между его силовыми контактами приводит к появлению разности потенциалов между нейтралью сети и землёй, что способно вызвать кратковременное увеличение контролируемого параметра в АЗО и срабатывание последнего.
Общие тенденции изменения параметров коммутационного переходного процесса в участковой электросети шахты установлены в исследованиях [2]. Однако полученные результаты требуют уточнения, так как ранее проведенными исследованиями не учитывалось влияние мощности участковой трансформаторной подстанции, а в исследовании [1] применённый метод математического описания процесса обусловил ряд ограничений в выдвинутых допущениях, что снизило точность результата. В частности, громоздкость изображения напряжения на ёмкости неотключаемой части сети не позволила воспользоваться теоремой разложения при переходе к оригиналу.
Процесс горения электрической дуги между контактами контактора во время коммутации силовой цепи асинхронного двигателя определяются совокупным действием ряда факторов. К ним, в частности, относятся: активно-реактивные параметры кабелей и коммутируемой нагрузки; площадь и конфигурация поверхностей контактов контактора и скорость их разъединения;
Особенности протекания процессов, обусловленных горением электрической дуги, исследованы и описаны математически [3]. Однако, в рассматриваемом случае объектом исследования является электротехнический комплекс, содержащий, в частности, оперативные цепи АЗО, активно-емкостные составляющие проводимости кабелей и динамическую модель коммутационного аппарата, в которой учтены стохастические процессы дугообразования. Поэтому представляется актуальным уточнение параметров объекта исследования применительно к воздействию коммутационных процессов в участковой электросети на устойчивость работы аппарата защиты базовой серии, в частности, АЗУР-4 (разработка УкрНИИВЭ, г. Донецк, Украина).
Объектом исследования является электротехнический комплекс (ЭТК) технологического участка шахты в состоянии контакторного отключения ответвления, содержащего АД потребителя. Его расчётная схема приведена на рис. 1. Параметры трансформаторной подстанции участка, асинхронного двигателя потребителя, ёмкости изоляции неотключаемой и отключаемой частей электросети относительно земли представлены соответствующими элементами схемы.
Рис. 1. Расчётная схема до коммутации (а); после начала отключения электродвигателя (б) и эквивалентная схема замещения (в)
Аналитическое описание процессов в данной схеме состоит в следующем:
а) состояние до коммутации
(рис. 1.а):
где rm, Lm, r, L, - активные сопротивления и индуктивности трансформатора и асинхронного двигателя;
б) в состоянии после коммутации
, - применительно к схеме замещения
(рис. 1.в), математическая модель процесса описывается следующими уравнениями:
Тогда напряжение на ёмкости неотключаемой части сети принимает значение:
Исследование коммутационных процессов в электросети участка шахты с учётом существования электрической дуги приемлемо выполнить средствами компьютерного моделирования.
Вероятностный характер продолжительности существования дуги между контактными группами отдельных фаз контактора в процессе его отключения учитывается расчётной схемой моделирования, представленной на рис. 2. Возможные кратковременные угасания электрической дуги в процессе её горения случайны и имитируются последовательными контактами K1, возможные восстановления «металлических» замыканий между силовыми контактами контактора в процессе их расхождения – случайны и имитируются параллельными контактами K2. Собственные сопротивления электрической дуги в фазах контактора имитируются резисторами R.
Рис.2. Расчётная схема моделирования дугообразования при отключении контактора
На рис. 3 приведена расчётная модель объекта исследования. В её состав входят активно-реактивные сопротивления рабочих жил и изоляции кабельной сети, параметры асинхронного двигателя потребителя, параметры цепи оперативного тока аппарата защитного отключения серии АЗУР-4.
Приняты следующие допущения:
С учётом указанных допущений и структуры цепи АЗО корректируется схема замещения ЭТК участка шахты (рис. 4). Параметром, вызывающим срабатывание АЗО является рост напряжения на резисторе R5, создаваемого оперативным током. Заряд ёмкости Cут1 в момент начала её коммутации определяется формулой (5). Продолжительности состояний объекта случайны и иллюстрируются соответствующим цветом (штриховкой) диаграмм состояний (рис.5).
Рис. 3. Расчетная модель схемы электросети участка шахты с элементами цепи оперативного тока аппарата АЗУР-4: Rоб, Lоб – вторичная обмотка трансформатора подстанции;KM1 – контактор пускателя; M1 – двигатель; V – вольтметр
Рис. 4. Схема замещения ЭТК участка шахты с элементами цепи оперативного тока аппарата АЗУР-4. Rут , Сут - параметры кабеля, Rd - сопротивление дуги
Применительно к схеме замещения (рис. 4) могут быть определены параметры процесса и составлены уравнения по узлам и контурам.
Вольтамперная характеристика дуги представлена следующим уравнением [3]:
Результаты моделирования позволили получить диаграммы изменения напряжения на резисторе R5 оперативной цепи АЗО (контролируемый параметр), обусловленного коммутационным переходным процессом, сопровождаемым горением дуги. В частности, на рис. 6 представлены два разных варианта (а; б) протекания переходпроцесса, отличающихся друг от друга разными комбинациями состояний электрических дуг в фазах контактора при его отключении.
В результате исследования прослеживается закономерность изменения контролируемого параметра, обусловленного существованием электрической дуги на интервале переходного коммутационного процесса. Установлены кратковременные превышения напряжения на резисторе R5 предельно допустимого значения для АЗО типа АЗУР-4, что способно привести к ложному срабатыванию защиты.
Обоснованный способ исследования позволяет установить характер протекания коммутационных процессов в электросети участка шахты при отключении кабельного ответвления с учётом влияния электрической дуги в контакторе пускателя.
Обоснованный способ исследования позволяет установить характер протекания коммутационных процессов в электросети участка шахты при отключении кабельного ответвления с учётом влияния электрической дуги в контакторе пускателя.
Разработанная расчетная схема и методика исследований в дальнейшем могут быть применены для изучения закономерностей протекания подобных коммутационных процессов при варьировании параметров и конфигурации кабельной сети технологического участка шахты с учётом воздействия ЭДС вращения ранее включенных АД.