Діалектика удосконалення засобів захисного знеструмлення кола витоку струму на землю в шахтній дільничній електромережі

Удосконалення функції захисного знеструмлення шахтної дільничної електромережі передбачає контроль стану пристрою виміру струму витоку на землю, застосування компенсації ємності ізоляції мережі, короткозамикача пошкодженої фази і автономних засобів відокремлення зворотних енергетичних потоків асинхронних двигунів.

Ключові слова: електротехнічний комплекс, дільниця шахти, безпека експлуатації, струм витоку на землю, асинхронний двигун, ЕРС обертання, автоматичний пристрій, захисне знеструмлення

Актуальність проблеми та її зв’язок з прикладними задачами. Небезпека електроураження при експлуатації шахтних дільничних електромереж обумовлена утворенням ланки електричної провідності активним опором людини – опором витоку струму на землю (R_вит = 1 кОм), а також активними і ємнісними опорами ізоляції кабельної мережі (R_із; Х_із). Існуючі теоретичні засади створення засобів автоматичного захисного знеструмлення кола витоку струму на землю враховують властивості відомих методів визначення небезпечного стану мережі – контроль величини: напруги нульової послідовності; струму нульової послідовності; постійного оперативного струму в ланці: джерело струму – фази мережі – опори ізоляції (витоку) – земля. Дослідженнями [1, 2] встановлена раціональність останнього методу, який взятий за основу схемотехніки сучасних засобів захисту. Однак, захисна дія цих засобів, що спрямована на відокремлення енергетичного потоку з боку живлячої трансформаторної підстанції, є недостатньою, оскільки мережа після захисного відключення перебуватиме певний час під дією зворотних ЕРС асинхронних двигунів (АД) споживачів. Удосконалення захисних засобів у напрямку відокремлення зворотних енергетичних потоків в шахтних дільничних електромережах має наукову і практичну актуальність.

Аналіз досліджень та публікацій. Проблематика захисту від витоків струму на землю в шахтних дільничних електромережах висвітлена результатами досліджень в напрямах визначення наявності кола підвищеної провідності між фазою мережі і землею, а також створення засобів компенсації ємнісної складової опору ізоляції кабельної мережі [3]. Дослідженнями обгрунтована схемотехніка захисних засобів і захисний захід, який полягає у відокремленні всієї дільничної мережі від джерела електроживлення – комплектної трансформаторної підстанції. Дослідженнями [4] визначена можливість удосконалення захисної функції за рахунок застосування автономних засобів визначення небезпечного стану мережі і відокремлення зворотних енергетичних потоків АД споживачів. Це обумовлює доцільність аналізу області застосування окремих видів засобів захисного знеструмлення шахтних дільничних електромереж і напрямів удосконалення їхньої структури.

Постановка задачі. Задача досліджень полягає у визначенні області застосування окремих видів засобів захисного знеструмлення шахтних дільничних електромереж і напрямів удосконалення їхньої структури на основі аналізу їх властивостей захисних засобів.

Основний матеріал і результати досліджень. Застосування постійного оперативного струму в якості контрольованого параметру, знайшло промислове впровадження у схемах апаратів захисту від витоків струму на землю (як сучасного виробництва, так і у попередніх зразках). Принциповими є відмінності у застосуванні вимірювального пристрою. Найпростішим є узагальнення функції виміру оперативного струму і формування команди на захисне відключення дільничної мережі в одному технічному засобі – електромагнітному реле при підключенні його послідовно в ланцюг оперативного струмую Незважаючи на простоту виконання, це технічне рішення має очевидні недоліки, які полягають наявності можливості неспрацьовування захисту через відмову реле, пошкодження ланки оперативного струму, у недостатній точності виміру струму витоку на землю.

Цим обумовлені принципові зміни в підході до побудови схеми засобу визначення наявності кола витоку струму на землю, а саме, у запровадженні властивості самоконтролю працездатності схеми. Ці принципові положення реалізовані в схемах апаратів АЗПБ; АЗУР і полягають у створенні керуючого впливу на захисне відключення дільничної мережі в разі відключення виконавчого реле засобу захисту. Визначення наявності ланки з небезпечним струмом витоку на землю виконується шляхом порівняння постійного оперативного струму, що циркулює у фазах мережі, опорах ізоляції та контурі земля, з еталонним струмом в самій схемі апарата захисту [2]. Схема апарата захисту має постійно отримувати живлення безпосередньо від трансформатора комплектної підстанції (КТП), а захисна функція полягатиме у відключенні виконавчого реле і впливі на автоматичний вимикач SF КТП (рис. 1).

Забезпечення захисту від електроураження людини в мережі шахтної дільниці може бути досягнуто в разі не перевищення кількістю електрики в колі витоку на землю максимальної нормованої величини 50 мА×с [5]. Це досягається поєднанням двох функцій – прискоренням визначення і відключення ланки витоку струму на землю і зменшенням величини струму в колі витоку за рахунок компенсації ємнісної складової опору ізоляції. Враховуючи на те, що в процесі експлуатації технологічного устаткування опір ізоляції змінюється із підключенням, або відключенням окремих силових приєднань, доцільним технічним рішенням є автокомпенсація ємності мережі. В апаратах серії АЗУР–1 – АЗУР–3 вона здійснюється зміною постійного струму підмагнічування компенсуючого дроселя в ланцюзі оперативного струму) відповідно до визначеної величини ємності ізоляції фаз мережі.

В мережі номінальної напруги 660 В вищезазначені захисні властивості технічних засобів є достатніми, однак інерційність пере налаштовування дроселя авто компенсатора припускає утворення завеликої кількості електрики (на часових інтервалах пере налаштовування) і обумовлює недостатність цієї захисної функції в мережі номінальної лінійної напруги 1140 В. Це обумовлює принципову зміну структури засобу захисту від витоку струму на землю в мережі вказаної напруги, що ілюструється схемою (рис. 2).

В захисних засобах мережі напруги 1140 В додатковою захисною функцією слід вважати застосування короткозамикачів пошкодженої фази, що спрацьовують водночас із захисним відключенням мережі [6]. Це дає можливість «шунтування» людини на землю (в процесі захисного відключення мережі) в разі її торкання до струмоведучих елементів мережі 1140 В, що є під напругою. Визначення пошкодженої фази в блоці короткозамикача полягає у зіставлені напруги між фазами мережі і землею з певною еталонною напругою, яка має бути меншою мінімального значення напруги між фазами з непошкодженою ізоляцією і землею, а спрацьовування короткозамикача пошкодженої фази відбувається водночас із захисним відключенням мережі за командою блока визначення кола витоку струму на землю. Доведено, що застосування статичних компенсаторів ємності ізоляції мережі, налаштованих на компенсацію ємності 0,5 мкФ/фазу є достатнім захисним заходом в мережах сучасних потужностей (напруги 1140 В) за умови запровадження коротко замикання пошкодженої фази. Однак, недолік, пов’язаний із інерційністю регульованих дросельних автокомпенсаторів, має тенденцію усунення схемотехнікою перспективних засобів захисту (апарати АЗУР–1М), де запроваджена безперервна компенсація узагальненої ємності 1 мкФ/фазу, створеної, частково, ємністю мережі і, частково, додатковими ємностями у схемі апарата за умови швидкодіючої корекції цих додаткових ємностей шляхом комутації їх складових при керуванні процесом від мікропроцесорного засобу виміру ємності мережі (рис. 3) [7].

Таким чином, сучасні шахтні дільничні мережі всіх рівнів номінальної напруги захищені засобами захисту від витоків струму на землю, дія яких розповсюджується на відокремлення енергетичних потоків від КТП і супроводжується компенcацією (автокомпенсацією) ємнісної складової опору ізоляції мережі та закоротчуванням пошкодьженої фази (в мережі напруги 1140 В). Однак, відключенням мережі від джерела живлення не припиняється струм в колі витоку на землю, оскільки залишається впливова функція з боку зворотних ЕРС АД споживачів. В разі відсутності короткозамикання пошкодженої фази живлення кола витоку струму на землю відбуватиметься весь термін наявності зворотної ЕРС АД аварійного приєднання і певний термін часу від зворотних ЕРС АД суміжних приєднань, доки узагальнена зворотна ЕРС мережі підтримуватиме у ввімкненому стані контактори (КМ1; КМ2; КМ3) магнітних пускачів дільничного розподільчого пункту (рис. 4) [8].

В разі застосування короткозамикачів підживлення кола витоку струму на землю відбуватиметься від АД аварійного приєднання після відключення контактора його магнітного пускача, що теж підвищуватиме кількість електрики в ланцюзі витоку струму на землю. Отже, принципово важливим є запровадження функції захисного відокремлення зворотних енергетичних потоків АД за умови обмеження кількості електрики, що накопичується в ланцюзі R_вит (тіло людини) на рівні, що не перевищує припустимої за критерієм електробезпеки величини (q = 50 мА×с).

З урахуванням розташування пристрою відокремлення зворотного енергетичного потоку з боку асинхронного двигуна, його функціонування:

• має бути автономним і не узгоджуватись із станом захисних пристроїв комплектної трансформаторної підстанції, групового автоматичного вимикача та пускачів;
• не повинно впливати на режим нейтралі електромережі і параметри дільничного пристрою захисту від витоку струму на землю; зменшувати величину опору ізоляції мережі; залежати від впливу комутаційних перехідних процесів в дільничній мережі.

Цим вимогам відповідає схема пристрою (рис. 5). Ланка послідовно приєднаних конденсатора С1, ланцюга R4, С2 та діода VD1 між загальною точкою резисторів R1 – R3 і землею утворює ланцюг короткочасної провідності в разі торкання людиною фазного провідника мережі. Параметри імпульсу напруги на резисторі R4 (10 кОм) в мережі 660 В при моделюванні процесу програмними засобами комп’ютерного моделювання наведені на рис. 6 і є достатніми для формування сигналу на відключення додаткового контактора КМ 2.1 на вводі статора асинхронного двигуна.

Таким чином, наявність конденсатора С1 перешкоджає тривалому протіканню струму в ланцюзі визначення пошкодження кабелю; полярність підключення діода VD1 перешкоджає впливу цього ланцюга на оперативний струм дільничного апарата захисту від витоку струму на землю. Комутацією резистора R5 в момент замикання КМ 2.2 розряджається конденсатор С1, чим відновлюється працездатність ланцюга визначення пошкодження кабелю після спрацьовування засобу захисного відокремлення зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна. У сукупності, це створює ефект визначення пошкодження в кабелі живлення асинхронного двигуна автономним технічним засобом. Дослідження параметрів струму в ланцюзі витоку на землю (тіло людини) в розрахунковій схемі (рис. 7) передбачає опис струмів в окремих ланках системою рівнянь (1) [9].

З урахуванням захисної дії дільничного апарата захисту від витоків струму на землю відокремлення зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна створює ефект синхронного автоматичного двобічного знеструмлення мережі в момент виникнення її аварійного (небезпечного) стану і суттєво зменшує величину кількості електрики в колі витоку струму на землю (рис. 8).

Це обумовлює доцільність застосування автономних засобів відокремлення зворотних енергетичних потоків асинхронних двигунів.

Висновки і напрямок подальших досліджень. Діалектика удосконалення засобів захисного знеструмлення шахтних дільничних електромереж полягає у створенні швидкодіючих пристроїв виміру струму витоку на землю з функцією самоконтролю стану схеми; підтримання параметру кількості електрики в колі витоку на припустимому рівні за рахунок додаткових функцій компенсації ємності ізоляції мережі і закорочування ушкодженої фази. Доведена працездатність і доцільність застосування автономних засобів визначення пошкодження кабелів живлення асинхронних двигунів як умови одночасного автоматичного захисного відокремлення енергетичних потоків в шахтній дільничній електромережі. Напрямком подальших досліджень слід вважати визначення параметрів виконавчих пристроїв комутації зворотних ЕРС асинхронних двигунів.

Список літератури

1. Лейбов Р. М. Взрывобезопасное реле утечки типа РУВ (Устройство и опыт эксплуатации) / Р. М. Лейбов. – М.: Углетехиздат, 1953. – 31 с.
2. Дзюбан В. С. Взрывозащищённые аппараты низкого напряжения / В. С. Дзюбан. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с.
3. Забезпечення безпеки та ефективності шахтних електроустановок / [Вареник Є. О., Випанасенко С. І., Дзюбан В. С., Шидловська Н. А., Шкрабець Ф. П.]; за ред. Г. Г. Півняка. – Дніпропетровськ: Нац. гірничий ун-т, 2004. – 334 с.
4. Маренич К. Н. Синхронное двустороннее обесточивание поврежденного участка кабеля шахтной участковой электросети / К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва // Уголь Украины: научный журнал. – Киев, 2011. – Вып. № 5. – С. 53–54.
5. Апараты защиты от токов утечки рудничные для сетей напряжением до 1200 В. Общие технические условия: ГОСТ 22929–78. С изменениями согласно ИУС 11–80, 7–81, 11–83. Соответствует СТ СЭВ 2309–80. – [Вступил в силу 01.01.1979]. – М.: Изд-во стандартов, 1987. – 13 с.
6. Справочник энергетика угольной шахты: в 2 т. / [Дзюбан В. С., Ширнин И. Г., Ванеев Б. Н., Гостищев В. М.]; под ред. Б. Н. Ванеева. – [2-е изд., перераб. и доп.]. – Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2001. – Т.1.: (Гл. 1–21). – 447 с.; Т.2.: (Гл. 22–44). – 440 с.
7. Патент на корисну модель 46748 (UA), МПК (2009) Н02J 3/00 Спосіб автоматичної компенсації ємнісних струмів витоку в трифазних електричних мережах з ізольованою нейтраллю / В. М. Савицький, О. І. Белошистов, О. В. Савицький. – u 2009 04385. Заявл. 05.05.2009. Опубл 11.01.2010. Бюл. № 1.
8. Василець С. В. Математичне моделювання перехідних процесів в багатомашинних шахтних електротехнічних комплексах: дис. канд. техн. наук: 05.09.03 / Василець Святослав Володимирович. – Донецьк, 2010. – 194 с.
9. Патент на корисну модель 73720 (UA), МПКН02Н3/08 Пристрій захисту від впливу зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна на точку ушкодження в кабелі живлення / К. М. Маренич, І. В. Ковальова, І. О. Лагута, u 201201848. Заявл. 20.02.2012. Опубл. 10.10.2012. Бюл. № 19.