Насосные установки главного водоотлива шахт являются крупными электропотребителями (потребление составляет порядка 20% общего расхода электроэнергии по шахте) и относятся к электроприемникам 1 категории по бесперебойности электроснабжения. Кроме того, насосные установки имеют свободный цикличный график работы во времени и, при соблюдении требований правил безопасности в угольных шахтах, могут отключаться или переводиться на пониженное электропотребление в период максимальной нагрузки на систему электроснабжения шахты при наличии свободной емкости водосборника для аккумулирования воды на период остановки [1]. Поэтому в процессе эксплуатации насосных установок главного водоотлива важным является автоматический контроль параметров электроснабжения установок для принятия действий, соответствующих текущей технологической ситуации. К таким параметрам относятся: расход электроэнергии насосной установкой (для технического учёта) , состояние коммутационной аппаратуры электродвигателя (включено – выключено) и состояние токовых защит электродвигателя (сработала защита или нет). Информация об указанных параметрах должна передаваться в диспетчерскую шахты в виде светоиндикации на пульте диспетчера и в центральную ЭВМ для анализа и выработки управляющих или «советующих» команд.

В существующих системах контроля и управления насосными установками главного водоотлива, как правило, на базе аппаратуры автоматизации водоотливной установки типа ВАВ.1М, такие функции не предусмотрены. Оператор насосной станции и диспетчер шахты имеют возможность наблюдать только о состоянии насосов (включено – выключено) по индикации соответственно на блоке БУН.1М и СТВ.1М аппаратуры ВАВ.1М. Поэтому предлагается дополнить существующую систему автоматизации специальной подсистемой контроля параметров электроснабжения насосных установок главного водоотлива шахты (СКПЭ). На рисунке 1 приведена структурная схема технических средств системы контроля и управления насосными установками главного водоотлива шахты, где наряду с уже упомянутой аппаратурой ВАВ.1М обозначено: ЦДП – центральный диспетчерский пункт шахты; НС – насосная станция водоотлива, которая содержит m комплектов аппаратуры ВАВ.1М (один комплект на 3 насосных установки); БУН.1М – блок управления насосами; СТВ.1М – сигнальное табло водоотлива; УКМ – устройство контроля активной мощности, потребляемой приводным электродвигателем насоса; КИ – многоканальный концентратор информации; ЭВМ – промышленный компьютер диспетчера шахты.

При реализации предложенной подсистемы важным является вопрос подключения устройства УКМ к измерительным трансформаторам высоковольтной ячейки, которая коммутирует силовые цепи приводного электродвигателя насоса. Как известно, для стандартного подключения контрольно-измерительных устройств контроля активной мощности (по схеме Арона), необходимо иметь выводы двух вторичных токов (0-5А) и двух линейных напряжений (0-100В). На действующих шахтах в качестве коммутационной аппаратуры (КРУ) приводного электродвигателя насоса в основном применяют высоковольтные ячейки типа КРУВ-6В-УХЛ5 или КРУВ-6Д-УХЛ5 с электромагнитными или вакуумными выключателями. В ячейку встроен трансформатор напряжения TV (типа НОЛ.11-605) мощностью S н = 400 ВА, подключённый к двум фазам высоковольтной сети (U АС), соответственно имеется вывод только одного вторичного линейного напряжения U АС = 100В. При включённой ячейке КРУВ-6, нагрузка TV составляет 7-10% S Н, то есть режим близок к режиму холостого хода, и из этого следует, что относительная погрешность TV будет находиться пределах 0,5-1%. В ячейках КРУВ-6 также встроены два трансформатора тока TТ1 и ТТ2 (типа ТЛКИ-6), соответственно имеются выводы двух вторичных токов (I 2A = I 2C = 0-5А). Нагрузкой трансформаторов токов являются электромагнитные реле максимально токовой защиты, которые обладают индуктивным сопротивлением, а также имеющие последовательно включённый контакт переключателя для выбора уставки токовой защиты. Данная схема включения нагрузки приводит к значительному снижению стабильности и класса точности TТ, примерно составляет 2-3%, что не приемлемо для технологических контрольно – измерительных устройств контроля активной мощности, а следовательно расхода электроэнергии.

Рисунок 1 – Комплекс технических средств системы контроля и управления насосными установками главного водоотлива шахты

Предлагается следующее техническое решение. Вводная высоковольтная ячейка КРУВ – 6В – ВВ электроподстанции насосной станции главного водоотлива оснащается трехфазным измерительным трансформатором напряжения (ИТН), от которого к каждой высоковольтной ячейки отходящих присоединений КРУВ-6В-ОП подается трёхфазное напряжение Uтр = 100В (см. рисунок 2). Для повышения класса точности измерения силы тока (0,5-1,0%) в высоковольтной ячейке отходящих присоединений КРУВ-6В-ОП дополнительно, без существенного изменения конструкции ячейки, вмонтируются два малогабаритных тороидных трансформатора тока TТН, предназначенных для электронных счётчиков электроэнергии, например, производителей OWL, Allegro, или Honeywell. Таким образом, количество первичных датчиков становится достаточным для подключения к высоковольтной ячейки устройства контроля активной мощности УКМ (по схеме Арона).

Рисунок 2 – Структурная схема подсистемы контроля параметров электроснабжения насосных установок главного водоотлива шахты

Многоканальный концентратор информации КИ предназначен для сбора информации: от устройства УКМ – о величине активной мощности, потребляемой приводным электродвигателем насоса; от блок контактов БК – о включенном или отключенном состоянии ячейки и от контактов реле токовой защиты РТЗ – о срабатывание защиты от токов короткого замыкания, перегрузки и т.д.(по выбору). Один концентратор используется для каждой ячейки отходящих присоединений. Структурная схема концентратора приведена на рисунке 3. На рисунке 3 обозначено: ДА – датчик аналогового сигнала; ДД1, ДД2 – дискретные датчики; МК – микроконтроллер; БИ – блок индикации и клавиатура; БП – блок питания; АК – акумулятор; П – блок памяти; АП – адаптер передачи информации; БС – блок сопряжения.

Основным элементом устройства является микроконтроллер, который обеспечивает предварительную обработку и управление данными. Так как окончательная обработка данных осуществляется в компьютере, то это обстоятельство позволяет снизить требования к микроконтроллеру концентратора, задача которого в этом случае сводится к непрерывной оцифровке входных сигналов и трансляции получаемых кодов в блок памяти П и далее по требованию в компьютер. В настоящее время существует большое разнообразие микроконтроллеров. Например, могут быть использованы недорогие современные микроконтроллеры на ARM-ядре Cortex-M3 со следующими актуальными особенностями: оптимизированное потребление, большой объем внутренней памяти, высокая производительность, встроенный 12-разрядный АЦП, развитые коммуникационные возможности [2]. Регистрация данных выполняется регулярно с периодом, равным двум секундам. Значение этого периода обеспечивается часами реального времени, встроенными в микроконтроллер.

Блок сопряжения БС выполняет следующие функции: гальваническая развязки внутренних цепей устройства с внешними цепями контактных датчиков, защиту измерительного канала аналогового сигнала от перенапряжений, нормализацию входных сигналов и низкочастотную фильтрацию. Гальваническая развязка осуществляется применением оптопар. Нормализатор входных сигналов выполняется в виде пассивного делителя с источником смещения в половину диапазона преобразования встроенного однополярного АЦП [2].

Рисунок 3 – Структурная схема концентратора информации КИ

Низкочастотная фильтрация входного аналогового сигнала осуществляется в два этапа: с помощью двухполюсного аналогового фильтра, а затем – посредством цифрового фильтра, реализуемого программно в микроконтроллере. Использование цифрового фильтра позволит снизить метрологические требования к пассивным компонентам аналогового фильтра. Точность выбранных номиналов резисторов не обязана превышать ±1%, а конденсаторов ±5%. Актуальные требования к используемым в ФНЧ операционным усилителям: рабочая полоса частот 0...1 МГц; скорость нарастания больше 500 мВ/мкс; малый входной ток; способность работать от однополярного напряжения; потребление меньше 100 мкА/канал. Как вариант может быть применен двухканальный усилитель AD8542.

Работа концентратора КИ должна осуществляться непрерывно и в течение долгого времени. При этом присутствие пользователя необязательно, поэтому структура устройства не включает развитые средства взаимодействия с оператором (полноценные дисплей и клавиатура), которые ограничивают температурную область применения, усложняют, удорожают изделие, приводят в ряде случаев к существенному возрастанию тока потребления. Схема содержит только простые служебные органы взаимодействия (отдельные светодиоды и кнопки в блоке БИ). Что касается полноценного отображения получаемой измерительной информации, то это выполняется в компьютере. Для этого в схеме предусмотрен адаптер передачи информации с использованием интерфейса RS-485.

Аккумулятор предназначен для обеспечения непрерывной работы концентратора при исчезновении питающего напряжения от блока питания БП

В заключении следует отметить следующее. Выходные цепи встроенных в КРУ трансформаторов тока и напряжения являются искроопасными, и поэтому на шахтах опасных по газу или пыли необходимо осуществляться постоянное наблюдение за целостностью линий связи, их состоянием и обеспечивать непрерывный контроль содержания метана в рудничной атмосфере.

Перечень ссылок

1. Данильчук Г. И., Шевчук С. П., Василенко П.К. Автоматизация электропотребления водоотливных установок / Г. И. Данильчук, С. П. Шевчук. – К.: Техника, 1981. – 102с.

2. Шатохин А., Макарычев П. Регистратор напряжений 3 – фазных сетей переменного тока / А. Шатохин, П. Макарычев //Информационно – технический журнал для разработчиков электроники «Новости электроники», 2010, №6