Автор: Дулін І.А., Ковальова І.В.
Источник: Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошук молодих: ХIІІ міжнар. наук.-техн. конф., зб. наук. праць – Донецьк: ДонНТУ, 2013.
В процесі експлуатації шахтного рудникового електрообладнання можливі часті механічні ушкодження гнучких кабелів живлення, що може призвести до виникнення одного з найнебезпечніших аварійних станів у шахті – короткого замикання (к.з.). Величина струму к.з. може досягти декількох тисяч Ампер. А існуюча тенденція до підвищення номінальної напруги живлення та зниження електричного опору силових кіл електрообладнання 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.
Існуючі технічні рішення (МСЗ, реле витоку та ін.) передбачають певний термін спрацьовування захисту, відповідно до нормативних документів [1], однак, після захисного відключення напруги живлення струмопостачання аварійного силового приєднання буде підтримуватись зворотною ЕРС обертання асинхронних двигунів (АД) раніш ввімкнених споживачів, які переходять до режиму вибігу. В небезпечних умовах шахти цей термін струмопостачання доцільно максимально зменшити.
Цим вимогам відповідає технічне рішення, дія якого основана на роз’єднанні трифазної схеми статора за наявності струму у штучно створеному колі визначення оперативного параметру (ЛВП) між статором двигуна і його заземленим металевим корпусом [2]. Схема ЛВП утворена послідовним з’єднанням конденсаторів С3-С4 і діода VD1, що забезпечує: підтримання режиму ізольованої нейтралі мережі за відсутності ушкодження кабелю живлення АД; унеможливлює протікання постійного струму, включаючи оперативний струм дільничного апарата захисту від витоків струму на землю, тобто не впливає на його працездатність.
Функції пристрою знеструмлення кабелю (ПЗК) можуть бути реалізовані схемою, яка наведена на рис. 1.
Рисунок 1 – Принципова електрична схема пристрою ПЗК
При подачі напруги у коло статора асинхронного двигуна, загоряється лампа HL1, що свідчить про ввімкнення пристрою ПЗК. В момент виникнення ушкодження в кабелі живлення АД 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 колі конденсатора С3, компаратор DA1 формує логічну одиницю
, яка запам’ятовується тригерною ланкою D1.1-D1.2 і через оптрон VD4 вмикає проміжкові реле, яке своїми контактами вмикає силовий комутаційний апарат 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. Повернення ПЗК до початкового стану здійснюється розрядом конденсатора С4 шляхом замикання слаботочного контакту КМ1.4 силового комутаційного апарату.
Процеси, що відбуваються в мережі АД при ушкодженні в кабелі живлення, а також при спрацювуванні ПЗК можуть бути досліджені засобами комп'ютерного моделювання. Скористаємося розширенням SimPowerSystem системи MATLAB.
На рис. 2 представлена відповідна SimPowerSystem-модель, що складається з наступних частин:
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 (1ЭКВ3,5-200, Uн = 660В, Рн = 200кВт);
4. Автоматичний вимикач (tср = 2мс);
5. Резистори R1-R3 – 20000 Ом, резистор R4 – 2000Ом;
6.Ємність С1 – 0,5*10-6 Ф/км, С2 – 0,60*10-6 Ф/км.
Рисунок 2 – SimPowerSystem-модель дільничної мережі з пристроєм ПЗК
Були промодельовані 2 види к.з. і отримані відповідні залежності зміни струму в місці ушкодження (з урахуванням захисного усунення зворотних енергетичних потоків та без):
1. Однофазне к.з. (фаза А) на землю – струм к.з. в колі замикання виміряний – амперметром А7 (рис. 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 (рис. 4).
Рисунок 3 – струм к.з. в аварійному колі при однофазному к.з. фази А на землю (амперметр А7): а) без спрацьовування ПЗК; б) із спрацьовуванням ПЗК
Рисунок 4 – струм к.з. у фазах А, B, C при двофазному к.з. між фазами А і В на землю (амперметри А1, А3, А5): а) без спрацьовування ПЗК; б) із спрацьовуванням ПЗК
Також був отриманий інформаційний сигнал у вимірювальному колі пристрою ПЗК (напруга на резисторі R2) в разі виникнення вказаних аварійних станів (рис. 5).
Рисунок 5 – Інформаційний сигнал у вимірювальному колі пристрою ПЗК
Отримані залежності (рис. 5) свідчать про здатність запропонованого пристрою ПЗК своєчасно виявляти виникнення аварійного стану к.з., а захисне усунення зворотних енергетичних потоків АД пристроєм ПЗК дозволяє істотно зменшити час протікання аварійного процесу (рис. 3, 4).