ДонНТУ   Портал магістрів

Дулін Іван Андрійович

Факультет комп’ютерних інформаційних технологій і автоматики

Кафедра Гірнича електротехніка і автоматика імені Р.М. Лейбова

Спеціальність Автоматизоване управління технологічними процесами

Обґрунтування параметрів і розробка пристрою автоматичного захисту шахтних електромереж на основі знеструмленні кола зворотніх енергетичних потоків

Науковий керівник: к.т.н., доц. Маренич Костянтин Миколайович

Резюме Біографія Реферат

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Стан питання. Мета і задачі досліджень
• 1.1 Особливості побудови шахтного дільничного електротехнічного комплексу
• 1.2 Обґрунтування мети та задач досліджень
• 2. Дослідження процесів в мережі живлення асинхронного двигуна при виникненні пошкодження в кабелі
• 2.1 Обґрунтування математичної моделі шахтного дільничного електротехнічного комплексу в стані пошкодження живлячого кабелю асинхронного двигуна
• 2.2 Аналіз процесів в мережі живлення асинхронного двигуна при виникненні пошкодження в кабелі
• 3. Обґрунтування принципу автоматичного визначення місця пошкодження кабелю живлення асинхронного двигуна
• 3.1 Обґрунтування принципу двобічного знеструмлення місця пошкодження кабелю живлення асинхронного двигуна
• 3.2 Технічна реалізація системи двобічного знеструмлення місця пошкодження кабелю живлення асинхронного двигуна
• Висновки
• Перелік посилань

Вступ

Експлуатація шахтного рудникового електрообладнання характеризується достатньо екстремальними умовами роботи, основними впливовими факторами яких є: обмежені розміри виробок, висока вологість, значний зміст вугільного пилу в атмосфері, нестаціонарність роботи технологічного обладнання.

Зважаючи на це, в процесі експлуатації можливі часті механічні ушкодження гнучких кабелів живлення, що призводить до виникнення таких аварійних станів, як коротке замикання (к.з.) – одного з найнебезпечніших аварійних станів у шахті. Струм к.з., обумовлений напругою джерела, обмежується активними та індуктивними опорами джерела і ділянки електромережі до точки к.з. З огляду на те, що зазначені опори мають украй малі значення, величина струму к.з. може досягти декількох тисяч Ампер. А існуюча тенденція до підвищення номінальної напруги живлення та зниження електричного опору силових кіл електрообладнання (застосування трансформаторних підстанції підвищеної потужності, гнучких кабелів підвищеного перерізу) ще більш сприяє збільшенню струмів к.з. Виділена при цьому теплова енергія може не тільки призвести до пошкодження електрообладнання, але й викликати пожежу або вибух метано-повітряної суміші.

Засоби максисального струмового захисту (МСЗ), якими оснащена вся комутаційна апаратура шахтної дільниці, виконують захисне відключення у час, відповідно до нормативних документів. Проте аварійний стан при цьому продовжує підтримуватись зворотною електрорушійною силою обертання асинхроного двигуна (АД) раніш ввімкнених споживачів, які переходять до режиму вибігу.

Сучасна теорія короткого замикання не враховує процеси у кабелі живлення АД після захисного відключення напруги живлення зі сторони трансформаторної підстанції (ТП).

Таким чином можно зробити висновок, що це питання потребує більш глибокого вивчення і створення технічних засобів, які б захищали мережу електротехнічного комплексу шахтної дільниці (ЕТК ДШ) від впливу зворотних енергетичних потоків АД у разі виникнення аварійного стану.

1. Стан питання. Мета і задачі досліджень

1.1 Особливості побудови шахтного дільничного електротехнічного комплексу

Дільничний електротехнічний комплекс вугільної шахти призначений для забезпечення функціонування електрифікованих машин та механізмів, що застосовуються при виконанні основних та допоміжних вугледобувних операцій в умовах технологічної дільниці шахти.

Структура електротехнічного комплексу видобувної дільниці шахти зображена на рисунку 1.1:

На рисунку 1.1 зображено:

ТП – трансформаторна підстанція;

РП – розподільчий пункт;

М – асинхронні двигуни;

АВ – автоматичний вимикач;

ПВІ – магнітні пускачі;

МК – магістральний кабель.

Споживачами електричної енергії на дільниці є вугледобувний комбайн або струг, конвеєри лави та штреку, станція зрошення, маслостанція, та інше. ЕТК ДШ забезпечує живлення електроприймачів технологічної дільниці напругою необхідного рівня, їх комутації у штатному режимі роботи та захист від анормальних режимів. Основні елементи ЕТК ДШ наступні: дільнична ТП (може встановлюватися декілька ТП), електродвигуни споживачів, кабельні лінії та комутаційно-захисна апаратура (автоматичні вимикачі, пускачі, станції керування із пристроями захисту від аварійних станів). Електрообладнання, що використовується в умовах ЕТК ДШ, є вибухобезпечним. За ознакою "стабільність розміщення" дільничні електроприймачі є пересувними [1]. Електротехнічний комплекс функціонує в режимі з ізольованою нейтралю вторинної обмотки дільничного трансформатора. Основні рівні робочої напруги 660 або 1140 В [2-4].

Структура дільничного електротехнічного комплексу визначається гірничо-технологічними умовами, кількістю та потужністю електроприймачів дільниці, рядом інших факторів. Найпростіша схема ЕТК ДШ – з одним розподільчим пунктом (РП). За наявності більшої кількості РП використовуються магістральні, радіальні та змішані схеми побудови ЕТК ДШ, які різняться типом з’єднання розподільчих пунктів [1-2]. Найбільш характерні особливості таких схем наступні:

– наявність групового силового комутаційного апарату, що подає живлення всім електроприймачам дільниці (функції якого найчастіше виконує автоматичний вимикач, що входить до складу дільничної ТП);

– використання силового комутаційного апарату (автоматичного вимикача) у складі кожного розподільчого пункту дільниці;

– забезпечення оперативної комутації електроприймачів за допомогою окремих комутаційних апаратів (пускачів).

Умови експлуатації обладнання ЕТК ДШ визначаються рядом характерних особливостей [5-9]:

– рудникова атмосфера характеризується високою вологістю повітря, наявністю вибухонебезпечної метано-повітряної суміші та вугільного пилу;

– електроустаткування та кабелі в шахтах зазнають впливу хімічних реагентів (кислотних та лужних вод), а також значних механічний впливів під час обвалення породи або пачок вугілля, при проведенні вибухових робіт;

– з метою забезпечення вибухозахисту електрообладнання розміщується у вибухобезпечних оболонках, що ускладнює організацію охолодження та створює передумови для порушення температурного режиму роботи рудникових електричних машин та апаратів;

– електродвигуни вибійних машин працюють у переривчастому режимі, оскільки значні перевантаження за моментом призводять до перекидань та зупинок АД, що викликає додатковий нагрів обмоток АД та гнучких кабелів, а також погіршує роботу магнітних пускачів;

– мають місце значні коливання напруги живлення ЕТК ДШ, які обумовлені особливостями функціонування потужних стаціонарних установок шахти, важкими умовами пуску та перевантаженнями забійних електроприводів;

– обмеженість розмірів гірничих виробок при недостатній освітленості значно ускладнює монтаж, обслуговування та профілактичний ремонт дільничного електрообладнання.

1.2 Обґрунтування мети та задач досліджень

Мета роботи – розширення функцій підсистеми автоматизації безпечного ведення видобувних робіт, що реалізується підвищенням ефективності МСЗ та засобів захисту від витоків струму на землю в ЕТК ДШ шляхом відокремлення зворотних енергетичних потоків АД споживачів шахтної дільниці.

Основні задачі дослідження:

– розробка математичної і комп'ютерної моделі ЕТК ДШ в стані пошкодження кабелю живлення електродвигуна та встановлення характеру впливу АД споживачів в режимі вибігу на місце ушкодження;

– обґрунтування і розробка структурної, функціональної та принципової схем засобу захисту від впливу зворотних енергетичних потоків АД на місце ушкодження в кабелі його живлення.

Таким чином були розглянуті особливості побудови ЕТК ДШ, які дозволили встановити фактори, що негативно впливають на компоненти електромережі дільниці під час експлуатації та призводять до різноманітних аварійних станів. Головна увага в попередніх дослідженнях приділяється анормальним режимам роботи ЕТК ДШ, які супроводжуються захисним відключенням напруги живлення [10]. Достатньою мірою вивчено перебіг аварійних процесів (коротке замикання, виток струму) від моменту їх виникнення до моменту захисного відключення. В той же час перебіг вказаних процесів після захисного відключення в літературі висвітлено недостатньо.

Обґрунтована актуальність аналізу процесів в ЕТК ДШ в разі ушкодження живлячого кабелю через необхідність підвищення ефективності МСЗ та засобів захисту від витоків струму на землю з метою забезпечення у повній мірі необхідних параметрів захисних пристроїв. Детальний аналіз результатів досліджень процесів в ЕТК ДШ після захисного відключення напруги, що викладені у літературі, показав, що до цього часу дослідники приділяли даним процесам недостатню увагу.

2. Дослідження процесів в мережі живлення асинхронного двигуна при виникненні пошкодження в кабелі

2.1 Обґрунтування математичної моделі шахтного дільничного електротехнічного комплексу в стані пошкодження живлячого кабелю асинхронного двигуна

Побудова математичної моделі являє собою складний багатоетапний процес, що ґрунтується на послідовному перетворенні опису об'єкта дослідження з метою більш чіткого уявлення його структури, принципу функціонування, а також виявлення основних закономірностей, які обумовлюють його поведінку. Тому, перш ніж приступити до власне структурної аналітичної ідентифікації, необхідно скласти концептуальну модель дослідження об'єкта.

Основним призначенням ЕТК ДШ є передача енергії до споживачів які знаходяться у межах дільниці. Схема ЕТК ДШ представлена на рисунку 1.1 [11]. Вона працює наступним чином: напруга подається на ТП. В ній вона перетворюється з 6 кВ до 660 В. Далі вмикається автоматичні вимикачі, які призначені для оперативних (вручну) включень і відключень підземних розподільчих пунктів систем електропостачання технологічних дільниць (установок). Далі напруга йде до магнітних пускачів, які призначені для дистанційного включення, відключення і реверсування електродвигунів технологічних машин та установок шахти. Після них напруга йде власне до споживачів.

З метою спрощення були прийняті наступні припущення:

1. Двигун працює без навантаження;
2. Довжина кабельної лінії – 200 м;
3. Моделювання проводиться для 3-х випадків:

   а) трифазне к.з.;

   б) двофазне к.з. між фазами А і Б;

   в) однофазне к.з. фази А на землю;

4. Час моделювання 8 секунд;
5. Час спрацювання АВ 0.2 секунди.

На підставі викладених положень складено розрахункову схему ідентифікованого об'єкта (рисунок 2.1):

В цій схемі: БКЗ – блок короткозамикача, Х1(t)-X3(t) – вхідні сигнали моделі, якими є струм у кожній з фаз, Y(t) – вихідний сигнал, значення струму у кожній з фаз.

До основних параметрів, що характеризують роботу електротехнічного комплексу шахтної дільниці відносять:

1. Вторинна обмотка рудничної трансформаторної підстанції ТСВП-630 (Rтр = 0,017 Ом, Хтр = 0,0776 Ом);
2. Кабельна лінія довжиною 200 м (кабель марки КГЕШ 3*50, Rk = 0,394 Ом/км, Lk = 0,26*10^-3 Гн/км, Ck = 0,67*10^-6 Ф/км);
3. Асинхронний двигун(1 ЭКВ 3,5-200, Uн = 660 В, Рн = 200 кВт);
4. Автоматичний вимикач (tср = 2 мс).

2.2 Аналіз процесів в мережі живлення асинхроного двигуна при виникненні пошкодження в кабелі

За допомогою розробленої моделі відтворено графічно поведінку об’єкта дослідження.

На рисунку 2.2 представлена відповідна SimPowerSystem-модель, що складається з наступних частин:

1. Вторинна обмотка рудничної трансформаторної підстанції ТСВП-630 – Three-PhaseSeriesRLCBranch;
2. Кабельна лінія довжиною 200 м – PiSectionLine 1-6;
3. Асинхронний двигун 1 ЭКВ3,5-200 – AsynchronousMachineSIUnits;
4. Автоматичний вимикач – Three-PhaseBreaker;
5. Блок короткозамикача – Three-PhaseFault.

Були промодельовані 3 види к.з. і отримані відповідні залежності зміни струму в місці ушкодження:

1. Трифазне к.з. – струм к.з. у фазі А виміряний амперметром А1 (рисунок 2.3);
2. Двофазне к.з. між фазами А і В – струми к.з. виміряні: у фазі А – амперметр А1, у фазі В – амперметр А3 та фазі С – амперметр А5 (рисунок 2.4);
3. Однофазне к.з. (фаза А) на землю – струм к.з. в колі замикання виміряний – амперметром А7 (рисунок 2.5) [11].

В результаті виконаних досліджень комп’ютерної моделі ЕТК ДШ був встановлен характер зміни складової струму к.з., яка обумовлена дією ЕРС обертання АД, що був ввімкнений в аварійному приєднанні (рис 2.6). Перехідний процес супроводжується інтенсивним підвищенням струму в місці пошкодження з подальшим зниженням за амплітудою (за експоненціальним законом) та частотою.

Таким чином, в ході досліджень був проведений детальний аналіз ЕТК ДШ, складені його структурна модель і розрахункова схема, сформульовані обмеження на вхідні до складу моделі параметри. Здійснено структурну та параметричну ідентифікація об'єкта. Отримана математична модель дозволяє аналізувати процеси к.з. у живлячому кабелі АД при зміні параметрів об’єкта дослідження. Отримана математична модель дозволяє аналізувати процеси к.з. в живлячому кабелі асинхронного двигуна.

3. Обґрунтування принципу автоматичного визначення місця пошкодження кабелю живлення асинхронного двигуна

3.1 Обґрунтування принципу двобічного знеструмлення місця пошкодження кабелю живлення асинхронного двигуна

Після аналізу моделі та процесів в місці ушкодження кабелю, можна зробити висновок, що сучасна теорія к.з. не враховує небезпечні процеси к.з. які відбуваються у живлячому кабелі АД, які в умовах шахти можуть призвести до аварії. Тобто, технічні рішення захисту які зараз використовується у шахті (МСЗ, реле витоку та ін.) передбачають певний термін спрацьовування захисту, під час якого струмопостачання аварійного силового приєднання буде підтримуватись. Однак, в небезпечних умовах шахти цей термін струмопостачання доцільно максимально зменшити. Цим вимогам відповідає принцип прискореного відокремлення енергетичного потоку мережі в разі виникнення в ній короткого замикання. Він реалізован в автоматичному швидкодіючому вимикачі АБВ-250 і полягає у створенні ланки штучного короткого замикання мережі в силовій схемі апарата після контактів автоматичного вимикача в момент його відключення.

Цей вимикач дозволяє суттєво підвищити швидкодію захисного знеструмлення аварійного приєднання (термін знеструмлення є в межах 2,5 мс). Проте, в разі хибного спрацьовування схеми штучного короткого замикання виникатиме аварійний стан в мережі ЕТК ДШ, що є неприпустимим.

Тому актуальним є розробка системи двобічного знеструмлення місця пошкодження кабелю живлення АД.

Цим вимогам відповідає технічне рішення, дія якого основана на роз’єднанні трифазної схеми статора за наявності струму у штучно створеному ланцюзі визначення оперативного параметру (ЛВП) між статором двигуна і його заземленим металевим корпусом [12]. Схема ЛВП утворена послідовним з’єднанням ланки з двох конденсаторів і діода. Це забезпечує: підтримання режиму ізольованої нейтралі мережі за відсутності однофазного витоку струму на землю, унеможливлює протікання постійного струму, включаючи оперативний струм пристрою знеструмлення кабелю (ПЗК) тобто, не впливає на параметри ПЗК; в момент t1 виникнення однофазного витоку на землю створює імпульс напруги обмеженої тривалості на резисторі, достатній для приведення в дію реагуючого органу засобу відокремлення зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна.

Функція автоматичного двобічного знеструмлення місця ушкодження кабелю виконується в ЕТК ДШ, структурна схема якого зображена на рисунку 3.1:

На цій схемі: ТП – обмотка трансформатора; АВ – автоматичний вимикач; МCЗ – максимальний струмовий захист; РВ – реле витоку; З – заземлювач; МП1-n – магнітні пускачі; АД1-n – асинхронні двигуни; ВП – вимірювальний пристрій; ВЧ – виконавча частина.

3.2 Технічна реалізація системи двобічного знеструмлення місця пошкодження кабелю живлення асинхронного двигуна

Структурна схема пристрою, який виконує функцію автоматичного двобічного знеструмлення місця ушкодження кабелю зображено на рисунку 3.2:

На рисунку 3.2 зображено:

АД – асинхронний двигун;

КА – контактор;

СЕ – струмообмежуючій елемент;

РВЕ – елемент підтримки працездатності реле витоку;

ЕВ – елемент вертання в початковий стан;

ВЕ – вимірювальний елемент;

СпЕ – сприймаючий елемент;

З – заземлення.

На основі розробленої структурної схеми (рисунок 3.2) розробляється функціональна схема пристрою, яка представлена на рисунку 3.3:

На рисунку 3.3 зображено:

М – асинхронний двигун;

SA1 – контактор;

RS1 – струмообмежуючій елемент;

Z1 – елемент підтримки працездатності реле витоку;

GB1, GB2 – вимірювальний елемент;

RS2 – сприймаючий елемент;

DA – компаратор;

DD – тригерна ланка;

Z2 – світлодіод;

VU – оптопара;

K – реле;

HL1 – лампа.

Схема працює наступним чином: статор АД (M) комутується контактором пристрою КА (SA1). Струмообмежуючий елемент СЕ (RS1) підтримує необхідний рівень струму для нормальної роботи пристрою. Елемент підтримки працездатності реле витоку РВЕ (Z1) дозволяє не перешкоджати нормальній роботі реле витоку, тобто не відбуваються помилкові спрацьовування реле. Вимірювальний елемент ВЕ (GB1, GB2) призначений для виявлення аварійного стану та впливу на сприймаючий елемент СпЕ (RS2, DA, DD, VU, K), який дає команду на розчеплення контактора пристрою КМ (SA1). ЕВ (SA2) – елемент вертання в початковий стан, вертає пристрій в початковий стан після усунення аварійного стану.

Функції ПЗК можуть бути реалізовані схемою, яка наведена на рисунку 3.4 [13]:

При подачі напруги у ланцюг статора асинхронного двигуна, загоряється лампа HL1, що свідчить про включення пристрою ПЗК.

Основна частина схеми ПЗК утворена послідовним з’єднанням ланки з конденсаторів С3, С4 і діода VD1. В момент виникнення однофазного витоку на землю створюється імпульс напруги обмеженої тривалості на резисторі R1, достатній для приведення в дію реагуючого органу засобу відокремлення зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна, за рахунок чого напруга у конденсаторі С3 перетворюється у пропорційну напругу на резисторі R2 і порівнюється із уставкою мінімального рівня, що знімається з резистора R4. За наявності струму в ланцюзі конденсатора С3, компаратор DA1 формує логічну одиницю, яка запам’ятовується тригерною ланкою D1.1-D1.2 і через оптрон VD4 вмикає силове триполюсне реле КМ1. Конденсатор С2 задіяний для затримки на відключення цього реле на невеликий термін, достатній для гасіння зворотного енергетичного потоку АД.

При цьому загоряється світлодіод VD5, який свідчить про спрацьовування пристрою.

Таким чином на основі аналізу отриманих результатів моделювання процесу короткого замикання в живлячому кабелі АД був обґрунтований принцип двобічного знеструмлення місця ушкодження, що базується на розмиканні трифазної схеми статора АД за наявності сигналу у додатковому приєднанні між загальною точкою статора двигуна та його заземленим корпусом, а також прискоренні захисної дії дільничних апаратів захисту від витоку струму на землю.

Розроблені структурна, функціональна та принципова схеми пристрою ПЗК.

Висновки

В результаті роботи:

– обґрунтована актуальність аналізу процесів в ЕТК ДШ після захисного відключення напруги через необхідність удосконалення засобів автоматичного захисту;

– обґрунтована структура та параметри математичної та комп’ютерної моделі ЕТК ДШ з урахуванням впливу зворотних енергетичних потоків асинхронних двигунів споживачів;

– встановлено характер зміни параметрів струму короткого замикання з урахуванням енергетичних потоків системи під час вибігу двигунів споживачів;

– обґрунтовано систему двобічного знеструмлення місця виникнення короткого замикання в кабелі живлення асинхронного двигуна, яка дозволяє розширити функціональні можливості існуючої захисної апаратури;

– розроблений варіант технічної реалізації обґрунтованої системи двобічного знеструмлення місця виникнення короткого замикання в кабелі живлення асинхронного двигуна, що дозволяє підвищити ефективність автоматичної підсистеми безпечного ведення робіт на видобувних дільницях.

Перелік посилань

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.