Междуфазное короткое замыкание (к.з.) является одним из наиболее опасных аварийных состояний шахтной электросети, которое может привести не только к перегреву и повреждению элементов электрооборудования, но и вызвать пожар или взрыв метано-воздушной смеси. Поэтому борьба с короткими замыканиями, причинами их возникновения, а также поиск путей повышения надежности электроснабжения является актуальной задачей.

Рост энерговооруженности машин и механизмов технологических установок обусловливает применение электрооборудования со сниженными электрическими сопротивлениями силовых цепей (трансформаторные подстанции и асинхронные двигатели повышенной мощности; магистральные и гибкие кабели повышенного сечения), перевод электросети на более высокие уровни номинального напряжения. Это в еще большей степени способствует увеличению токов короткого замыкания в силовых цепях электротехнических комплексов технологических участков [1].

В связи с этим, практическую актуальность представляет разработка устройства автоматического ограничения тока короткого замыкания в кабельных линиях очистных и подготовительных забоев, где велика вероятность их частого повреждения. Кроме того, уменьшение тока короткого замыкания приводит к возможности создания кабелей, обеспечивающих пожаро- и взрывобезопасность их эксплуатации.

До настоящего времени задача ограничения тока короткого замыкания в шахтных низковольтных электросетях не решена, поскольку возможность применения существующих средств (токоограничивающих реакторов) ограничивается их значительными габаритами и резким снижением качества напряжения (падение напряжения превышает 10%), что затрудняет пуск электродвигателей.

Поэтому практический интерес представляет устройство, схема которого приведена на рис. 1. Устройство содержит управляемый реактор (в блоке ограничения тока БОТ), подключенный в фазы сети между источником питания и защищаемым присоединением. В нормальном режиме эксплуатации через включенные встречно рабочие обмотки L1; L2; L3 и обмотки управления L4; L5; L6 фаз реактора протекает номинальный ток линии. В этом случае, поскольку рабочие обмотки и обмотки управления является геометрически совместимыми в пространстве и охватывают определенное сечение магнитной цепи, их магнитные потоки будут полностью скомпенсированы, а величина индуктивного сопротивления реактора будет близка к нулю. Падение напряжения на реакторе будет определяться, главным образом, незначительной величиной активного сопротивления обмоток.

В случае возникновения короткого замыкания в контролируемой линии исчезают управляющие сигналы с выходов блока контроля тока БКТ: напряжение в месте короткого замыкания стремится к нулю – сигнал от трансформатора через выпрямители Z1 – Z3 перестает поступать на управляющие электроды симисторов VS1 – VS3 (полупроводниковые ключи), и отключаются обмотки управления L4; L5; L6. При этом имеет место быстрая разкомпенсация магнитных потоков обмоток. Магнитные потоки рабочих фазных обмоток L1; L2; L3 существенно увеличиваются и этим повышается их индуктивное сопротивление. Применение управляемого реактора позволяет в автоматическом режиме скачкообразно повысить сопротивление фаз электрического присоединения с коротким замыканием и этим уменьшить ток в этом присоединении до величины, соразмерной с рабочим током. Ограничение тока короткого замыкания осуществляется с незначительной задержкой, обусловленной временем отключения симисторов.

Рисунок 1 – Схема средств автоматического ограничения тока короткого замыкния

Быстродействие защиты позволяет выполнить токоограничивающее влияние даже на ударный ток короткого замыкания, который возникает не позднее 2 - го периода частоты сети после момента возникновения короткого замыкания [2].

Эффективность предложенного принципа автоматического ограничения тока короткого замыкания может быть доказана на основании компьютерного моделирования низковольтного электротехнического комплекса участка шахты в состоянии короткого замыкания с учетом действия предлагаемого устройства.

Для моделирования принят электротехнический комплекс, состоящий из следующих элементов: питающая трансформаторная подстанция типа ТПВП-630; магистральный кабель типа ЭВТ 3×95 длиной 30 м; гибкий кабель типа КГЕШ 3×70 длиной 300 м. Величина линейного напряжения, принятого на участке – 1140 В, короткое замыкание произошло в середине гибкого кабеля.

В результате выполненных исследований компьютерной модели получены соответствующие зависимости изменения тока в месте повреждения (рис. 2, рис. 3).

Продолжительность аварийного режима короткого замыкания в случае отсутствия предлагаемого устройства токоограничения (рис. 2) определяется временем срабатывания максимальной токовой защиты и коммутационной аппаратуры (в соответствии с нормативными документами – 0,2 с).

На рис. 3 представлена осциллограмма тока трехфазного короткого замыкания в этой же линии, но с учетом действия устройства автоматического ограничения тока короткого замыкания. В данном случае время действия опасного тока сведено к минимально возможному значению, при котором можно практически исключить возможность воспламенения метано-воздушной смеси, возникновения пожара, а также значительно увеличить ресурс коммутационной аппаратуры в связи с облегчением отключения напряжения питания в режиме короткого замыкания.

Рисунок 2 – Осциллограмма тока трехфазного к.з.(показан ток в одной фазе)

Рисунок 2 – Осциллограмма тока трехфазного к.з., с учетом действия устройства автоматического ограничения к.з.

Предлагаемое устройство работает в автоматическом режиме и обладает высоким быстродействием, поскольку реагирует на факт возникновения аварийного режима короткого замыкания, а не на величину тока, что позволяет не допустить развития ударного тока короткого замыкания и устранить влияние на элементы электрооборудования и кабельную сеть электродинамических перегрузок. После срабатывания устройства, выполнения защитного ограничения тока короткого замыкания и снятия питающего напряжения происходит самовосстановление в исходное состояние без дополнительных управляющих сигналов и коммутаций, что обеспечивает высокую функциональную надежность устройства. Работа устройства не влияет на параметры электроснабжения и характеризуется отсутствием потерь напряжения в пусковых и установившихся режимах [3].

Сравнительно небольшие габариты и универсальность применения в сравнении с существующими реакторами позволяют внедрить предлагаемое устройство автоматического ограничения тока короткого замыкания в сетях подземного электроснабжения напряжением 660 В и 1140 В.

Таким образом, обоснована актуальность анализа процессов в электротехническом комплексе технологического участка шахты в случае возникновения аварийного состояния междуфазного короткого замыкания с целью обоснования устройства автоматического ограничения тока короткого замыкания и разработан вариант технической реализации такого устройства. Предложенная компьютерная модель электротехнического комплекса технологического участка шахты в состоянии короткого замыкания в гибком кабеле питания асинхронного двигателя позволила установить характер изменения величины силы тока короткого замыкания с учетом работы предлагаемого устройства автоматического токоограничения и без. Анализ полученных диаграмм изменения величины силы тока короткого замыкания в сети с управляемыми токоограничивающими реакторами в фазах подтверждает их эффективность, а внедрение предлагаемого устройства создает условия для безопасного применения электроэнергии в шахтах, опасных по газу и пыли.

Перечень ссылок

1. Справочник энергетика угольной шахты / [Дзюбан В.С., Ширнин И.Г., Ванеев Б.Н., Гостищев В.М.]; под общ. ред. Ванеева Б.Н. – [2-е изд.] – Донецк, ООО «Юго-Восток Ltd.», 2001 – Т2, - С. 404-418.
2. Маренич К.Н. Моделирование процесса короткого замыкания в низковольтном электротехническом комплексе участка шахты с учетом влияния электропотребителя / К.Н.Маренич, И.В. Ковалева // Научные труды ДонНТУ, серия электротехника и энергетика. - Донецк: ДонНТУ, 2007. - Вып. 7 (128). - С.146-149 .
3. Авт. свид. 913516 СССР, МПК Н02Н9/02 Токоограничивающее устройство / В.А.Машкин, Л.С. Беспалов, В.Г. Савельев. (СССР) - №3000759/24-07. Заявл. 25.07.1980. Опубл. 15.03.1982. Бюл. №10.