Рисунок 1 – Временная диаграмма процесса выявления малой величины угла между фазным током и напряжением
Автор:
Дулин И.А., Ковалёва И.В.
Источник:
ДОНБАС-2020: перспективи розвитку очима молодих вчених: VI Міжнародна
науково-практична конференція, зб. наук. праць – Донецьк:
ДонНТУ, 2012. – с. 271-274.
Дулин И.А., Ковалёва И.В. Быстродействующая максимальная токовая защита в электросети шахтного участка. На основі виконаних досліджень перехідних процесів при виникненні міжфазних коротких замикань в електротехнічному комплексі шахтної дільниці розроблене технічне рішення, яке дозволяє підвищити швидкодію вияву аварійного процесу з метою подальшого відключення напруги живлення.
Условия эксплуатации шахтного участкового электротехнического комплекса определяют применение разветвленной сети гибких кабелей, которые при нестационарном характере работы технологического оборудования подвергаются частым механическим повреждениям. Это может привести к возникновению одного из наиболее опасных аварийных состояний шахтной участковой электросети – режиму междуфазного короткого замыкания, при котором значительные выделения тепловой энергии способны привести не только в повреждению электрооборудования, но и вызвать взрыв метано-воздушной смеси или пожар. Действие существующих средств максимальной токовой защиты (МТЗ), которыми комплектуется рудничная силовая коммутационная аппаратура, основано на сравнении фактического тока защищаемой сети с заданной уставкой (предельно допустимой величиной тока) [1]. При этом с одной стороны срабатывание МТЗ сопровождается задержкой во времени, обусловленной продолжительностью достижения током присоединения выбранной уставки, а с другой – не исключена вероятность ошибки персонала при расчете и установке уставки срабатывания. Кроме того, функционирование не вакуумных контакторов шахтных магнитных пускателей сопровождается дугообразованием, что приводит к выделению окислов азота и созданию химически агрессивной среды внутри взрывозащищенной оболочки, под действием которой увеличивается электрическое сопротивление контактных соединений (до 10 Ом включительно), а в некоторых случаях наблюдается полная потеря контакта [2]. Этот процесс может привести к снижению реальных токов короткого замыкания относительно расчетных и, как следствие, нечувствительности средств максимальной токовой защиты. Поэтому практическую актуальность представляет задача обоснования технического решения, основанного на учете информационного сигнала, однозначно свидетельствующего о начальном этапе возникновения междуфазного к.з., с целью повышения эффективности функционирования средств МТЗ.
Параметрами, сопровождающими междуфазное короткое замыкание в присоединении с активно-индуктивной (кабельная сеть, асинхронный двигатель) нагрузкой являются скорость нарастания тока и существенное уменьшение фазового угла между током и напряжением соответствующей фазы [3]. Поэтому выявление начального этапа к.з. в электротехническом комплексе шахтного участка может быть основано на комплексном учете указанных параметров.
Рисунок 1 – Временная диаграмма процесса выявления малой величины угла между фазным током и напряжением
Выявление малой величины угла между фазным током и напряжением может быть выполнено на основе сопоставления временных интервалов полуволн фазных тока (импульс Uк4) и напряжения (импульс Uк3) сети соответствующей полярности (рис. 1), и преобразования интервала совпадения в соответствующий пилообразный импульс UБПН. Достаточная величина пилообразного импульса UБПН свидетельствует о ненормально низкой величине фазового угла и может служить условием измерения скорости роста тока di/dt на фиксированном интервале времени (сформированным передним фронтом импульса Uвыхк5). Высокое значение параметра di/dt на этом интервале (т.е., совпадающее с низкой величиной фазового угла ) свидетельствует о начале режима к.з.
Определение величины di/dt может быть выполнено на основе контроля промежутка времени прохождения фазным током защищаемой сети двух удаленных уровней Uоп1 и Uоп2 (рис. 2), при этом в момент прохождения током нижнего уровня (контролируется посредством дифференциальной цепи) сигнал может быть сформирован в импульс ждущего мультивибратора Uжм1 с заданной длительностью срабатывания tжм1. Повышенная интенсивность роста тока соответствует совпадению по времени интервалов существования импульса Uвых.к2 (сформированного после прохождения током второго заданного уровня) и импульса Uжм1 заданной длительности.
Рисунок 2 – Временные диаграммы процесса выявления интенсивности роста мгновенного значения фазного тока сети: а) в режиме интенсивного роста тока; б) в нормальном режиме
Реализация обоснованного способа выявления начального этапа процесса междуфазного короткого замыкания может быть осуществена на базе функциональной схемы (рис. 3) быстродействующей максимальной токовой защиты. На рис. 3 обозначены: Д – трансформатор тока; ТН – трансформатор напряжения; У1-3 – уставки; К1-5 – компараторы; «И» – логические элементы; ЧМ1-2 – ждущие мультивибраторы; БПН – блок преобразования напряжения. Схема работает следующим образом: в одной фазе электросети участка шахты установлен трансформатор тока, нагруженный резисторами. Сигналы от трансформатора тока поступают на компараторы К1 – К3, в которых сравниваются с уставками У1, У2, соответственно. Сигнал с К1 проходит через ждущий мультивибратор ЧМ1 и вместе с выходным сигналом компаратора К2 поступает на логический элемент «И», с которого поступает на ждущий мультивибратор ЧМ2, на ЧМ2 формируется импульс с заданной длительностью. Компаратор К4 питается от трансформатора напряжения ТН. Сигналы с компараторов К3 и К4 поступают на логический элемент «И», а после на блок преобразования напряжения (БПН), где формируется пилообразный импульс. Пилообразный импульс сравнивается с уставкой У3 на компараторе К5. Сигналы с выходов ЧМ2 и К5 поступает на логический элемент «И», после прохождения которого формируется выходной сигнал (Uвых), для срабатывания быстродействующей МТЗ.
Рисунок 3 – Функциональная схема устройства быстродействующей максимальной токовой защиты
На основе анализа существующих средств максимальной токовой защиты обоснована необходимость разработки технического решения, основанного на учете информационного сигнала, однозначно свидетельствующего о начальном этапе возникновения междуфазного короткого замыкания, с целью повышения эффективности функционирования средств МТЗ. Рассмотрен способ выявления начального этапа возникновения междуфазного короткого замыкания на основе комплексного учета скорости роста тока в защищаемой электросети и фазового угла между током и напряжением соответствующей фазы. Предложен вариант технической реализации указанного способа.