Захист від електроураження в приєднанні відключеного статора працюючого двошвидкісного асинхронного двигуна

Розкрита проблематика небезпеки електроураження в приєднанні відключеної обмотки статора працюючого двошвидкісного асинхронного двигуна, представлені і проаналізовані результати досліджень електричних параметрів в ланцюгах силового приєднання відключеної обмотки статора, обгрунтована структура засобу захисту від електроураження при виникненні кола витоку на землю в приєднанні відключеної обмотки статора двошквидкісного асинхронного двигуна.

Ключові слова: двошвидкісний асинхронний двигун, статор, відключена обмотка, кабельне приєднання, коло витоку струму на землю, електрорушійна сила, електроураження, захист.

Постановка проблеми. В гірничій промисловості широко застосовуються двошвидкісні асинхронні двигуни (АД) в складі електроприводу скребкових конвеєрів, що дозволяє отримати номінальний та зменшений фіксовані рівні кутової швидкості. Однак, наявність двох відокремлених обмоток на одному магнітопроводі створює трансформаторний ефект при включенні однієї з обмоток, що може призвести до виникнення такого небезпечного стану, як електроураження людини в разі торкання фази відключеної обмотки статора. Цей вид небезпеки має місце, незважаючи на наявність в шахтній дільничній електромережі засобів захисту від витоків струму на землю, оскільки дія цих засобів не розповсюджується на контроль стану відключеної обмотки статора двошвидкісного двигуна через відсутність електричного зв’язку між обмотками його статора (рис. 1). Отже, актуальним є визначення рівня небезпеки електроураження людини від трансформаторної ЕРС відключеної обмотки статора двошвидкісного АД.

Аналіз попередніх досліджень і публікацій. Властивості двошвидкісного асинхронного двигуна стосовно утворення впливу на елементи живлячої мережі висвітлені в науковій літературі окремими публікаціями, що вказують на принципову можливість електроураження людини в електромережі приєднання відключеної обмотки статора і потребують додаткового аналізу. Зокрема, експериментальними дослідженнями [1] отримані діаграми зміни ЕРС АД типу ЕКВФ-355L12/4 (рис. 2) у відключеній обмотці статора при електроживленні іншої. Так, при роботі двигуна з номінальною кутовою швидкістю в обмотці зниженої швидкості (ОЗШ) генерується трифазна ЕРС, яка представляється двома складовими: високочастотною з частотою f₁ = 1650 Гц та амплітудою Um₁ ≈ 100 В, та несучою з частотою f₂ = 143 Гц та амплітудою Um₂ ≈ 142 В (рис. 2 а). При підключенні ОЗШ до живлячої мережі в обмотці номінальної швидкості (ОНШ) генерується ЕРС частотою f  = 650 Гц (рис. 2 б) Визначені діючі значення індуктованих ЕРС у фазах відключених від мережі живлення обмоток статора є наступними: в обмотці зниженої швидкості Е_ОЗШ = 145 В; в обмотці номінальної швидкості Е_ОНШ = 33 В. З урахуванням цих даних встановлюються середні величини діючого струму в колі витоку на землю (з опором R_вит = 1 кОм), параметри кабельної мережі, провідність ізоляції якої створює умови підвищення струму витоку на землю до небезпечної величини (більш, ніж 25 мА).

Постановка задачі досліджень. Враховуючи на встановлену попередніми дослідженнями потенційну небезпеку двошвидкісного АД утворювати умови електроураження людини в мережі приєднання відключеної обмотки статора, актуальними є питання уточнення даних стосовно впливу працюючого двошвидкісного АД на параметри струму в колі витоку на землю і обґрунтування прийнятних захисних заходів від електроураження в приєднання відключеної обмотки статора.

Основний матеріал дослідження. Електричні параметри у приєднанні відключеної обмотки статора працюючого двошвидкісного АД можуть бути визначені дослідженням моделі, утвореної структурою силового кабельного приєднання з активними опорами ізоляції в межах значень, реальних для шахтного дільничного електротехнічного комплексу і ємнісними опорами ізоляції, відповідними до перерізу і довжини кабелю, опором витоку на землю (R_вит = 1 кОм) та трифазним джерелом електроживлення, в кожній фазі якого послідовно підключені джерела ЕРС високої (f_в) та несучої (f_н) частоти з параметрами, що визначені як результат аналізу осцилограм експерименту.

Стан кола однофазного витоку струму на землю досліджується за схемою заміщення, наведеною на рис. 3a де позначено: u_в; u_н – складові фазної напруги (високої та несучої частоти) в колі витоку (в разі представлення всієї системи у вигляді трифазного джерела, утвореного складовими напруги високої та несучої частоти – U_нА, _UвА; U_нВ, U_вВ; U_нС,U_вС); R_в – опір кола витоку; C_із, R_із – відповідно, сукупна ємність та активний опір ізоляції трьох фаз мережі (C_із ф, R_із ф – відповідно, сукупна ємність та активний опір ізоляції фази кабелів, що мають електричний зв’язок із місцем виникнення витоку струму на землю); i_в – струм витоку. Для наведеної еквівалентної схеми заміщення виконуються наступні співвідношення [1]:

Зв’язок між фактичними та питомими параметрами ізоляції кабелів з урахуванням їх довжини має бути встановлений за наступними залежностями:

де C_{із ф пит.} – питома ємність ізоляції кабелю даного типу, мкФ/км; R_{із ф пит.} – питомий активний опір ізоляції кабелю даного типу, Ом/км; l – довжина кабелю, км.

Відповідно до наведеної еквівалентної схеми заміщення (рис. 3,б) згідно законів Кірхгофа запишемо рівняння, що описують процеси в системі:

де u_ф = u_нmsinω_нt + u_вm(sinω_вt+φ_в) – фазна напруга в колі витоку струму на землю; φ_в – кут зсуву складової напруги високої частоти. u_нm; u_вm – амплітуди складових фазних напруг несучої та високої частоти. Кількість електрики, що пройшла через опір кола однофазного витоку струму на землю з моменту виникнення аварійного стану t′ і до моменту зникнення ЕРС обертання АД t′′, обчислюється згідно залежності:

де I_в(t) – ефективне значення струму витоку через опір тіла людини, що змінюється з перебігом існування аварійного стану мережі (торкання людиною струмоведучих елементів, що є під напругою).

На рис. 4 представлені величини струму в колі витоку на землю у відключеному приєднанні обмотки зменшеної швидкості за умови електроживлення обмотки номінальної швидкості АД типу ЕКВФ-355L12/4 у залежності від довжини та перерізу кабеля живлення, отримані шляхом моделювання.

Таким чином, встановлена властивість працюючого двошвидкісного асинхронного двигуна утворювати небезпеку електроураження в силовому приєднанні відключеної обмотки статора. Зокрема, небезпечно висока (понад 50 мА*с) кількість електрики в приєднанні відключеної обмотки зменшеної швидкості за умови застосування в її силовому приєднанні кабеля перерізом 70 мм² довжиною 300 м матиме місце при тривалості струму в колі витоку 0,52 с. Для кабеля перерізом 35 мм² ця тривалість – 0,62 с.

Принцип захисту від електроураження в силовому приєднанні відключеної обмотки статора двошвидкісного АД полягає в створенні шляху проходження оперативного струму дільничного апарата захисту від витоку струму на землю (АЗ) на ланцюги відключеної обмотки статора та у створенні ланцюга короткочасної провідності в реагуючому органі в момент утворення кола витоку струму на землю в силовому приєднанні статорної обмотки (рис. 5). Так постійний оперативний струм АЗ надходитиме в приєднання відключеної обмотки статора (наприклад, Статор1) через первинну обмотку трансформатора TV2. Тому в разі торкання людиною фазного провідника приєднання цієї обмотки (утворення кола струму витоку на землю R_вит) має відбутись спрацьовування АЗ, що призведе до відключення автоматичного вимикача SA комплектної трансформаторної підстанції (КТП) дільниці.

Поряд з цим, визначення моменту утворення кола витоку струму на землю у відключеній обмотці статора виконується шляхом створення ланцюга короткочасної провідності через частину первинної обмотки трансформатора TV2, конденсатор С1, діод VD1, контур заземлення, коло Rвит витоку струму на землю і відповідну фазу відключеної від мережі статорної обмотки. В цьому разі на виході вторинної обмотки трансформатора TV2 створюватиметься імпульсний сигнал, який призводитиме до спрацьовування реагуючого органу (РО), задіяного як елемент управління комутаційним засобом захисного відокремлення від кола R_вит витоку струму на землю енергетичного потоку відключеної від мережі обмотки АД.

Визначення стану витоку струму на землю у відключеній обмотці статора матиме місце і в разі, якщо цей стан відбувся, коли двигун знаходився в режимі вільного вибігу після відключення від джерела електроживлення. В цьому разі джерелом імпульсу в колі короткочасної провідності, утвореної підключенням конденсатора С1 та діода VD1 між виводом А обмотки трансформатора TV2 та затиском заземлення виступатиме трифазна зворотна ЕРС, що наводиться в обмотках статора АД обертаючимся полем його ротора інтервалі вільного вибігу.

Схема приєднання конденсатора С1 послідовно у коло визначення інформаційного параметру і підключення діода VD1 катодом до затиску заземлення виключає вплив захисного засобу на роботу дільничного апарата захисту (АЗ) від витоку струму на землю.

Висновки

1. Дослідженнями доведена властивість працюючого двошвидкісного асинхронного двигуна утворювати небезпеку електроураження в силовому приєднанні відключеної обмотки статора, що обумовлено генерацією в цій обмотці системи трифазних ЕРС, амплітудні і частотні параметри яких достатні для створення небезпечних за фактором електроураження струмів в колі витоку на землю.
   
2. Запропонований засіб визначення стану витоку струму на землю поширює функції захисту від витоку струму на землю на силові приєднання відключеної від мережі живлення обмотки статора двошвидкісного асинхронного двигуна як під час електроживлення іншої статорної обмотки, так і після відключення асинхронного двигуна від джерела електроживлення на інтервалі перебування в стані вільного вибігу.

Список літератури

1. Маренич К. М. Наукові основи впровадження автоматичного захисного двобічного знеструмлення шахтної дільничної електромережі: монографія / К. М. Маренич, І. В. Ковальова. – Донецьк: ДВНЗ ДонНТУ, 2012. – 125 с.