ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

Эксплуатация шахтного рудничного электрооборудования характеризуется достаточно экстремальными условиями работы, основными факторами которые влияют на условия работы являются: ограниченные размеры выработок, высокая влажность, значительное содержание угольной пыли в атмосфере, нестационарность работы технологического оборудования.

Ввиду этого, в процессе эксплуатации возможны частые механические повреждения гибких кабелей питания, что приводит к возникновению таких аварийных состояний, как короткое замыкание (к.з.) – одного из самых опасных аварийных состояний в шахте. Ток к.з., обусловленный напряжением источника, ограничивается активными и индуктивными сопротивлениями источника и участка электросети до точки к.з. Ввиду того, что указанные сопротивления имеют крайне малые значения, величина тока к.з. может достичь нескольких тысяч Ампер. А существующая тенденция к повышению номинального напряжения питания и снижения сопротивления силовых цепей электрооборудования (применение трансформаторных подстанции АД повышенной мощности, гибких кабелей повышенного сечения) еще больше способствует увеличению токов к.з. Выделенная при этом тепловая энергия может не только привести к повреждению электрооборудования, но и вызвать пожар или взрыв метано-воздушной смеси.

Средства максимальной токовой защиты (МТЗ), которыми оснащена вся коммутационная аппаратура шахтного участка, выполняют защитное отключение за время, которе устанавливается нормативными документами. Однако аварийное состояние при этом продолжает поддерживаться обратной ЭДС вращения АД ранее включенных потребителей, которые переходят в режим выбега.

Современная теория короткого замыкания не учитывает процессы в кабеле питания АД после защитного отключения напряжения питания со стороны трансформаторной подстанции.

Таким образом можно сделать вывод, что этот вопрос требует более глубокого изучения и создания технических средств, которые бы защищали сеть электротехнического комплекса шахтного участка от влияния обратных энергетических потоков АД в случае возникновения аварийного состояния.

1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследований

1.1 Особенности построения шахтного участкового электротехнического комплекса

Участковый электротехнический комплекс угольной шахты (ЭТК ШУ) предназначен для обеспечения функционирования электрофицированных машин и механизмов, применяемых при выполнении основных и вспомогательных угледобывающих операций в условиях технологического участка шахты.

Структура электротехнического комплекса добычного участка шахты изображена на рисунке 1.1:

Типовая схема электроснабжения добычного участка на основе пускателей

Рисунок 1.1 – Типовая схема электроснабжения добычного участка на основе пускателей

На рисунке 1.1 изображено:

ТП – трансформаторная подстанция;

РП – распределительный пункт;

М – асинхронные двигатели;

АВ – автоматический выключатель;

ПВИ – магнитные пускатели;

МК – магистральный кабель.

Потребителями электроэнергии на участке являются угледобывающий комбайн или струг, конвейеры лавы и штрека, станция орошения, маслостанция, и прочее. ЭТК ШУ обеспечивает питание электроприемников технологического участка напряжением необходимого уровня, их коммутации в штатном режиме работы и защиту от ненормальных режимов. Основные элементы ЭТК ШУ следующие: участковая трансформаторная подстанция (УТП) (может устанавливаться несколько УТП), электродвигатели потребителей, кабельные линии и коммутационно-защитная аппаратура (автоматические выключатели, пускатели, станции управления с устройствами защиты от аварийных состояний). Электрооборудование, используемое в условиях ЭТК ШУ, является взрывобезопасным. По признаку «стабильность размещения» участковые электроприемники являются передвижными [1]. Электротехнический комплекс функционирует в режиме с изолированной нейтралью вторичной обмотки участкового трансформатора. Основные уровни рабочего напряжения 660 или 1140 В [2-4].

Структура участкового электротехнического комплекса определяется горно-технологическими условиями, колличеством и мощностью электроприемников участка, рядом других факторов. Простейшая схема ЭТК ШУ – с одним распределительным пунктом (РП). При большем количестве РП используются магистральные, радиальные и смешанные схемы построения ЭТК ШУ, различающиеся типом соединения распределительных пунктов [1-2]. Наиболее характерные особенности таких схем следующие:

– наличие группового силового коммутационного аппарата, подающего питание всем электроприемникам участка (функции которого зачастую выполняет автоматический выключатель, входящий в состав распределительного устройства низшего напряжения участковой трансформаторной подстанции);

– использование силового коммутационного аппарата (автоматического выключателя) в составе каждого распределительного пункта участка;

– обеспечение оперативной коммутации электроприемников с помощью отдельных коммутационных аппаратов (пускателей).

Условия эксплуатации оборудования ЭТК ШУ определяются рядом характерных особенностей [5-9]:

– рудничная атмосфера характеризуется высокой влажностью воздуха, наличием взрывоопасных метано-воздушной смеси и угольной пыли;

– электрооборудование и кабели в шахтах подвергаются воздействию химических реагентов (кислотных и щелочных вод), а также значительным механическим воздействиям при обрушении породы или пачек угля, при проведении взрывных работ;

– с целью обеспечения взрывозащиты электрооборудование размещается во взрывобезопасных оболочках, что затрудняет организацию охлаждения и создает предпосылки для нарушения температурного режима работы рудничных электрических машин и аппаратов;

– электродвигатели забойных машин работают в прерывистом режиме, поскольку значительные перегрузки по моменту приводят к опрокидываниям и остановокам асинхронных двигателей (АД), что вызывает дополнительный нагрев обмоток АД и гибких кабелей, а также ухудшает работу магнитных пускателей;

– имеют место значительные колебания напряжения питания ЭТК ШУ, которые обусловлены особенностями функционирования мощных стационарных установок шахты, тяжелыми условиями пуска и перегрузками забойного электроприводов;

– ограниченность размеров горных выработок при недостаточной освещенности значительно усложняет монтаж, обслуживание и профилактический ремонт участкового электрооборудования.

1.2 Обоснование цели и задач исследований

Цель работы – расширение функций подсистемы автоматизации безопасного ведения добычных работ, которое реализуется повышением эффективности МТЗ и средств защиты от утечек тока на землю в ЭТК ШУ путем отделения обратных энергетических потоков АД потребителей участка шахты.

Основные задачи исследования:

– разработка математической и компьютерной модели ЭТК ШУ в состоянии повреждения кабеля питания электродвигателя и определение характера влияния АД потребителей в режиме выбега на место повреждения;

– обоснование и разработка структурной, функциональной и принципиальной схем средства защиты от воздействия обратных энергетических потоков АД на место повреждения в кабеле его питания.

Таким образом были рассмотрены особенности построения ЭТК ШУ которые позволили установить факторы, которые негативно влияют на компоненты электросети участка при эксплуатации и приводят к различным аварийным состояниям. Основное внимание в предыдущих исследованиях уделяется анормальным режимам работы ЭТК ШУ, которые сопровождаются защитным отключением напряжения питания [10]. В достаточной степени изучен ход аварийных процессов (к.з., утечка тока) с момента их возникновения до момента защитного отключения. В то же время ход указанных процессов после защитного отключения в литературе освещен недостаточно.

Обоснована актуальность анализа процессов в ЭТК ШУ в случае повреждения питающего кабеля для повышения эффективности МТЗ и средств защиты от утечек тока на землю, а так же в целях обеспечения необходимых параметров защитных устройств. Подробный анализ результатов исследований процессов в ЭТК ШУ после защитного отключения напряжения изложенный в литературе, показал, что до сих пор исследователи уделяли данным процессам недостаточное внимание.

2. Исследование процессов в сети питания асинхронного двигателя при возникновении повреждения в кабеле

2.1 Обоснование математической модели шахтного участкового электротехнического комплекса в состоянии повреждения питающего кабеля асинхронного двигателя

Построение математической модели представляет собой сложный многоэтапный процесс, который основан на последовательном преобразовании описания исследуемого объекта с целью более четкого представления его структуры, принципа функционирования, а также выявление основных закономерностей, которыми обусловлено его поведение. Поэтому, прежде чем приступить к собственно структурной аналитической идентификации, необходимо составить концептуальную модель исследуемого объекта.

Основным назначением ЭТК ШУ является передача энергии к потребителям находящихся в пределах участка. Схема ЭТК ШУ представлена на рисунке 1.1. Она работает следующим образом: напряжение подается на УТП. В ней оно понижается с 6 кВ до 660 В. Далее включаются автоматические выключатели, предназначенные для оперативных (вручную) включений и отключений подземных РП систем электроснабжения технологических участков (установок). Далее напряжение идет в магнитные пускатели, которые предназначены для дистанционного включения, отключения и реверсирования электродвигателей технологических машин и установок шахты. После них напряжение идет собственно к потребителям [11].

С целью упрощения были приняты следующие допущения:

  1. Двигатель работает без нагрузки;
  2. Длина кабельной линии – 200 м;
  3. Моделирование проводится для 3-х случаев:

    а) трехфазное к.з.

    б) двухфазное к.з. между фазами А и Б

    в) однофазное к.з. фазы А на землю

  4. Время моделирования 8 секунд;
  5. Время срабатывания автоматического выключателя – 0.2 секунды.

На основании изложенных положений была составлена расчетная схема идентифицированного объекта (рисунок 2.1):

Расчетная схема идентифицированного объекта

Рисунок 2.1 – Расчетная схема идентифицированного объекта

В этой схеме: БКЗ – блок короткозамыкателя, Х1(t)-X3(t) – входные сигналы модели, которыми являются токи в каждой из фаз, Y(t) – выходной сигнал – значение тока в каждой из фаз.

К основным параметрам, которые характеризуют работу ЭТК ШУ относят:

  1. Вторичная обмотка рудничной трансформаторной подстанции ТСВП-630 (Rтр = 0,017 Ом, Хтр = 0,0776 Ом);
  2. Кабельная линия длиной 200 м (кабель марки КГЭШ 3 * 50, Rk = 0,394 Ом/км, Lk = 0,26 * 10-3 Гн/км, Ck = 0,67 * 10-6 Ф/км);
  3. Асинхронный двигатель(1ЭКВ 3,5-200, Uн = 660 В, Рн = 200 кВт);
  4. Автоматический выключатель (tср = 2 мс).

2.2 Анализ процессов в сети питания асинхронного двигателя при возникновении повреждения в кабеле

С помощью разработанной модели графически было воссоздано поведение исследуемого объекта.

На рисунке 2.2 представлена соответствующая SimPowerSystem-модель, которая состоит из следующих частей:

  1. Вторичная обмотка рудничной трансформаторной подстанции – ТСВП-630 – Three-PhaseSeriesRLCBranch;
  2. Кабельная линия длиной 200 м – PiSectionLine 1-6;
  3. Асинхронный двигатель 1ЭКВ 3,5-200 – AsynchronousMachineSIUnits;
  4. Автоматический выключатель – Three-PhaseBreaker;
  5. Блок короткозамыкателя – Three-PhaseFault.
SimPowerSystem-модель участковой сети, принятая для исследования переходных процессов при возникновении коротких замыканий

Рисунок 2.2 – SimPowerSystem-модель участковой сети, принятая для исследования переходных процессов при возникновении коротких замыканий

Были промоделированы 3 вида к.з. и получены соответствующие зависимости изменения тока в месте повреждения:

  1. Трехфазное к.з. – ток к.з. в фазе А измеренный амперметром А1 (рисунок 2.3);
  2. Двухфазное к.з. между фазами А и В – токи к.з. измерены: в фазе А – амперметр А1, в фазе В – амперметр А3 и фазе С – амперметр А5 (рисунок 2.4);
  3. Однофазное к.з. (фаза А) на землю – ток к.з. в цепи замыкания измеренный амперметром А7 (рисунок 2.5) [11].
Ток к.з. в фазе А при трехфазном к.з. (амперметр А1)

Рисунок 2.3 – Ток к.з. в фазе А при трехфазном к.з. (амперметр А1)

Ток к.з. в фазах А, B, C при двухфазном к.з. между фазами А и В (амперметры А1, А3, А5)

Рисунок 2.4 – Ток к.з. в фазах А, B, C при двухфазном к.з. между фазами А и В (амперметры А1, А3, А5)

Ток к.з. в аварийной цепи при однофазном к.з. фазы А на землю (амперметр А7)

Рисунок 2.5 – Ток к.з. в аварийной цепи при однофазном к.з. фазы А на землю (амперметр А7)

В результате выполненных исследований компьютерной модели шахтной участковой сети установлен характер изменения составляющей тока к.з., обусловленной действием ЭДС вращения АД, который был включен в аварийном присоединении (рис 2.6). Переходный процесс сопровождается интенсивным повышением тока в месте повреждения с последующим снижением по амплитуде (по экспоненциальному закону) и частоте.

Действие ЭДС вращения АД, который был включен в аварийном присоединении

Рисунок 2.6 – Действие ЭДС вращения АД, который был включен в аварийном присоединении
(анимация: 13 кадров, 5 циклов повторения, 97 килобайт)
ТП – трансформаторная подстанция, АВ – автоматический выключатель, КА1-n – магнитные пускатели, М1-n – АД

Таким образом, в ходе исследований был проведен детальный анализ ЭТК ШУ, составленны его структурная модель и расчетная схема, сформулированы ограничения на входящие в состав модели параметры. Осуществлена структурная и параметрическая идентификация объекта. Полученная в результате моделирования математическая модель позволяет анализировать процессы к.з. в питающем кабеле асинхронного двигателя.

3. Обоснование принципа автоматического определения места повреждения кабеля питания асинхронного двигателя

3.1 Обоснование принципа двустороннего обесточивание места повреждения кабеля питания асинхронного двигателя

После анализа модели и процессов в месте повреждения кабеля, можно сделать вывод о том, что современная теория к.з. не учитывает опасные процессы к.з. происходящие в питающем кабеле асинхронного двигателя, которые в условиях шахты могут привести к аварии. То есть, технические решения защиты которые сейчас используется в шахте (МТЗ, реле утечки и др.) предусматривают определенный срок срабатывания защиты, во время которого снабжение током аварийного силового присоединения будет поддерживаться. Однако, в опасных условиях шахты этот срок целесообразно минимизировать. Этим требованиям отвечает принцип ускоренного отделения энергетического потока сети в случае возникновения в ней короткого замыкания. Он реализован в автоматическом быстродействующем выключателие АБВ-250 и состоит в создании звена искусственного короткого замыкания сети в силовой схеме аппарата после контактов автоматического выключателя в момент его отключения.

Этот выключатель позволяет существенно повысить быстродействие защитного обесточивания аварийного присоединения (срок обесточивания находится в пределах 2,5 мс). Однако, в случае ложного срабатывания схемы искусственного короткого замыкания может возникнуть аварийное состояние в сети ЭТК ШУ, что является недопустимым.

Поэтому актуальным является разработка системы двустороннего обесточивание места повреждения кабеля питания АД.

Этим требованиям отвечает техническое решение, действие которого основано на разъединении трехфазной схемы статора при наличии тока в искусственно созданной цепи определения оперативного параметра между статором двигателя и его заземленным металлическим корпусом [12]. Схема определения оперативного параметра образована последовательным соединением звена из двух конденсаторов и диода. Это обеспечивает: поддержание режима изолированной нейтрали сети при отсутствии однофазной утечки тока на землю, исключает протекание постоянного тока, включая оперативный ток устройства обесточивание кабеля (ПЗК) т.е. не влияет на параметры ПЗК, в момент возникновения однофазной утечки на землю создаётся импульс напряжения ограниченной продолжительности на резисторе, достаточный для приведения в действие реагирующего органа средства отделения обратного энергетического потока асинхронного двигателя.

Функция автоматического двустороннего обесточивание места повреждения кабеля выполняется в электротехническом комплексе участка шахты, структурная схема которого изображена на рисунке 3.1:

Структурная схема электротехнического комплекса участка шахты

Рисунок 3.1 – Структурная схема электротехнического комплекса участка шахты

На этой схеме: ТП – обмотка трансформатора; АВ – автоматический выключатель; МТЗ – максимальная токовая защита; РУ – реле утечки, З – заземлитель; МП1-n – магнитные пускатели; АД1-n – асинхронные двигатели; ИУ – измерительное устройство; ИЧ – исполнительная часть.

3.2 Техническая реализация системы двустороннего обесточивание места повреждения кабеля питания асинхронного двигателя

Структурная схема устройства, выполняющего функцию автоматического двустороннего обесточивание места повреждения кабеля изображена на рисунке 3.2:

Структурная схема устройства ПЗК

Рисунок 3.2 – Структурная схема устройства ПЗК

На рисунке 3.2 изображено:

АД – асинхронный двигатель;

КА – контактор;

ТЭ – токоограничивающий элемент;

РУЭ – элемент поддержания работоспособности реле утечки;

ЭВ – элемент возврата в исходное состояние;

ИЭ – измерительный элемент;

ВЭ – воспринимающий элемент;

З – заземление.

На основе разработанной структурной схемы (рис. 3.2) разрабатывается функциональная схема устройства, которая представлена на рисунке 3.3:

Функциональная схема устройства ПЗК

Рисунок 3.3 – Функциональная схема устройства ПЗК

На рисунке 3.3 зображено:

М – асинхронный двигатель;

SA1 – контактор;

RS1 – токоограничивающий элемент;

Z1 – элемент поддержания работоспособности реле утечки;

GB1, GB2 – измерительный элемент;

RS2 – воспринимающий элемент;

DA – компаратор;

DD – триггерное звено;

Z2 – светодиод;

VU – оптопара;

K – реле;

HL1 – лампа.

Схема работает следующим образом: статор АД (M) коммутируется контактором устройства КА (SA1). Токоограничивающий элемент ТЭ (RS1) поддерживает необходимый уровень тока для нормальной работы устройства. Элемент поддержки работоспособности реле утечки РУЭ (Z1) позволяет не препятствовать нормальной работе реле утечки, то есть не происходит ложных срабатываний реле. Измерительный элемент ИЭ (GB1, GB2) предназначен для обнаружения аварийного состояния и влияния на воспринимающий элемент ВЭ (RS2, DA, DD, VU, K), который дает команду на расщепление контактора устройства КМ (SA1). ЭВ (SA2) – элемент возврата в исходное состояние, возвращает устройство в исходное состояние после устранения аварийного состояния.

Функции ПЗК могут быть реализованы схемой, приведенной на рисунке 3.4 [13]:

Принципиальная электрическая схема устройства ПЗК

Рисунок 3.4 – Принципиальная электрическая схема устройства ПЗК

При подаче напряжения в цепь статора АД, загорается лампа HL1, которая свидетельствует о включении устройства ПЗК.

Основная часть схемы ПЗК образована последовательным соединением звена из конденсаторов С3, С4 и диода VD1. В момент возникновения однофазной утечки на землю создается импульс напряжения ограниченной длительности на резисторе R1, достаточный для приведения в действие реагирующего органа средства отделения обратной энергетического потока АД, за счет чего напряжение в конденсаторе С3 превращается в пропорциональное напряжение на резисторе R2 и сравнивается с уставкой минимального уровня, которая снимается с резистора R4. При наличии тока в цепи конденсатора С3, компаратор DA1 формирует логическую «единицу», которая запоминается триггерным звеном D1.1-D1.2 и через оптрон VD4 включает силовое трехполюсное реле КМ1. Конденсатор С2 задействован для задержки на отключение этого реле на небольшой срок, достаточный для гашения обратного энергетического потока АД.

При этом загорается светодиод VD5, свидетельствующий о срабатывании устройства.

Таким образом, на основе анализа полученных результатов моделирования процесса короткого замыкания в питающем кабеле асинхронного двигателя обоснован принцип двустороннего обесточивание места повреждения, который основан на размыкании трехфазной схемы статора АД при наличии сигнала в дополнительном присоединении между общей точкой статора двигателя и его заземленным корпусом, а также ускорении защитного действия участковых аппаратов защиты от утечки тока на землю.

Разработаны структурная, функциональная и принципиальная схемы устройства ПЗК.

Выводы

В результате работы:

– обоснована актуальность анализа процессов в ЭТК ШУ после защитного отключения напряжения в следствии необходимости совершенствования средств автоматической защиты;

– обоснована структура, параметры математической и компьютерной модели ЭТК ШУ с учетом влияния обратных энергетических потоков АД потребителей;

– установлен характер изменения параметров тока короткого замыкания с учетом энергетических потоков системы при выбеге двигателей потребителей;

– обоснована система двустороннего обесточивание места возникновения короткого замыкания в кабеле питания АД, которая позволяет расширить функциональные возможности существующей защитной аппаратуры;

– разработан вариант технической реализации системы двустороннего обесточивание места возникновения короткого замыкания в кабеле питания АД, которая позволяет повысить эффективность автоматической подсистемы безопасного ведения работ на добычных участках.

Список источников

  1. Пучков Л.А. Электрификация горного производства: учебник в 2-х томах [для студентов высших учебных заведений] / Л.А. Пучков, Г.Г. Пивняк – М.: Горная книга, Т.1. – 2007. – 511 с., Т.2. – 2007. – 595 с.
  2. Щуцкий В.И. Электрификация подземных горных работ: учебник [для студентов высших учебных заведений] / В.И. Щуцкий, Н.И. Волощенко, Л.А. Плащанский – М.: Недра, 1986. – 364с.
  3. Дехтярева В.И. Руководство по ревизии, наладке и испытанию подземных электроустановок шахт / В.И. Дехтярев, В.А.Чумаков, М.С. Глухов, Э.Р. Осипов – М.: Недра, 1989. – 614с.
  4. Ванеев Б.Н. Справочник энергетика угольной шахты / Б.Н. Ванеев, В.С. Дзюбан, И.Г. Ширнин, Б.Н. Ванеев, В.М. Гостищев – 2-е изд. – Донецк, ООО «Юго-Восток Ltd.», 2001. – 447с.
  5. Правила безпеки у вугільних шахтах – К.: ДНАОП, 1996. – 150с.
  6. Правила технічної експлуатації електроустановок споживачів. Затв. 25.07.2006 № 258/ Міністерство палива та енергетики України. Х. Індустрія. 2007. – 272 с.
  7. Цапенко Е.Ф. Электробезопасность на горных предприятиях: учебн. пособ. [для студентов высших учебных заведений] / Е.Ф. Цапенко, С.З. Шкундин – 2-е изд. – М.: Горная книга, 2008. – 103 с.
  8. Вареник Є.О. Забезпечення безпеки та ефективності шахтних електроустановок / Є.О. Вареник, С.І. Випанасенко, В.С. Дзюбан, Н.А. Шидловська, Ф.П. Шкрабець – Дніпропетровськ: НГУ, 2004. – 334 с.
  9. Озерной М.И. Шахтные гибкие кабели / М.И. Озерной, В.Г. Соболев – М.: Недра, 1966. – 300 с.
  10. Півняк Г.Г. Перехідні процеси в системах електропостачання: Підручник для вузів / Г.Г. Півняк, В.М. Винославський, А.Я. Рибалко, Л.І. Несен – вид. 2-ге, виправ. та доп. – Дніпропетровськ: Національний гірничий університет, 2002. – 579 с.
  11. Дулін І.А. Моделювання к.з. в мережі асинхронного двигуна / І.А. Дулін, І.В. Ковальова // Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих: ХIІ міжнар. наук.-техн. конф., 17-20 квітня 2012р.: зб. наук. праць. – Донецьк: ДонНТУ, 2012. – С. 328-330.
  12. Маренич К.М. Дослідження процесів у дільничній електромережі шахти при застосуванні засобу синхронного двобічного знеструмлення місця пошкодження кабелю / К.М. Маренич, І.В. Ковальова // Гірнича електромеханіка та автоматика: наук.-техніч. зб. Випуск 85. – Дніпропетровськ, 2010. – С. 3-11.
  13. Ковальова І.В. Технічн1а реалізація способу синхронного двобічного знеструмлення місця пошкодження кабеля електроживлення асинхронного двигуна в мережі шахтної дільниці / І.В. Ковальова // Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих: ХI міжнар. наук.-техн. конф., 17-20 травня 2011р.: зб. наук. пр. – Донецьк: ДонНТУ, 2011. – С. 62-64.