ДонНТУ   Портал магистров

Беркес Ангелина Владимировна

Факультет компьютерных информационных технологий и автоматики (КИТА)

Кафедра «Горная электротехника и автоматика имени Р. М. Лейбова»

Специальность «Автоматизированное управление технологическими процессами»

Исследование свойств многодвигательного электротехнического комплекса участка шахты в контексте влияния на свойства максимальной токовой защиты от коротких замыканий с повышенными параметрами быстродействия

Научный руководитель: д.т.н., проф. Маренич Константин Николаевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Содержание

• 1. Общая характеристика работы
• 2. Научные положения, полученные в ходе исследования
• 2.1 Моделирование процессов и теоретическое обоснование способов повышения быстродействия МТЗ
• 2.2 Алгоритмизация процесса выявления короткого замыкания с использованием фазочувствительного органа
• 2.3 Структурная схема
• Выводы
• Список источников

1. Общая характеристика работы

Актуальность темы. Анализ устройства и принципов работы известных средств защиты шахтной участковой электросети от к.з. показывает, что все они отличаются определенной инерционностью, обусловленной временными задержками необходимыми для измерения токов защищаемой сети и его сравнение с принятой уставкой. Поэтому практическую актуальность приобретает задача поиска новых принципов построения МТЗ, что будет удовлетворять вопросам безопасности эксплуатации высоковольтных сетей.

В частности, с целью выявления ускорения к.з. может быть применен метод контроля скорости нарастания тока. Однако рост тока характерен и для других внештатных состояний, таких как перегруз электродвигателя. С другой стороны к.з.сопровождается резким смещением между током и напряжением, но нестабильность фазового соотношения указанных параметров характерны и для таких переходных процессов пуск в работу асинхронного двигателя или ее перегрузка. Очевидно, что одновременное изменение фазового соотношения и параметра скорости нарастания тока могут считаться информационными параметрами о к.з. в силовом присоединении.

Научную и практическую актуальностьпредставляет задача поиска нового информационного параметра для построения максимальной токовой защиты (МТЗ) с улучшенными показателями быстродействия. Объективно речь идет о защите промышленных электросетей, в составе которых эксплуатируется значительное количество асинхронных двигателей.

Целью исследования является обоснование способа ускоренного автоматического выявления процесса междуфазного короткого замыкания в шахтной участковой электросети на основе учёта комплекса параметров в динамике их изменения.

Основные задачи исследования:

• анализ шахтной участковой электросети как объекта исследования;
• анализ характера изменения параметров участковой электросети в процессе развития к.з.;
• компьютерное моделирование процесса междуфазного к.з. в шахтной участковой электросети;
• обоснование структуры и схемы устройства быстродействующей защиты от к.з.

Объект исследования — шахтная участковая электросеть.

Предмет исследования — характер изменения параметров участковой электросети в процессе развития к.з.

Апробация результатов работы.Основные положения и результаты магистерской диссертации докладывались и обсуждались на: Международных научно-технических конференциях Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых (г. Донецк, 2015 – 2017 г.); XIX Международной молодежной научной конференции СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ 2018 (г. Ухта, Республика Коми, 2018 г.); IV Международная молодежная научная конференция Молодежь в науке: новые аргументы (г. Липецк, Россия, 2018 г.).

2. Научные положения, полученные в ходе исследования

2.1 Моделирование процессов и теоретическое обоснование способов повышения быстродействия МТЗ

Исследование особенностей информационных параметров, которые характеризуют возникновения процесса короткого замыкания в присоединении шахтного участкового электротехнического комплекса целесообразно выполнять, используя схему замещения рис.1. Она согласовывается с принципиальными положениями в отношении подобных объектов и наиболее полно учитывает активно-индуктивные параметры трансформатора подстанции электропотребления, кабельной сети до и после точки к.з., асинхронного двигателя, включая его фазные ЭДС вращения. [1]

Исследование характера изменения фазового соотношения между фазным током электросети и ее напряжения в момент возникновения к.з. может быть выполнено, в частности, на основе использования программного продукта Electronic Work Bench.

Расчетная схема модели фрагмента электротехнического комплекса представлена на рис. 2.

Она включает в себя модель трехфазного источника питания с активно-индуктивными параметрами обмоток соответствующих параметрам трансформатора участка шахты. Место трехфазного к.з. моделируется замыкающими контактами, срабатывающими спустя заданный промежуток времени с начала опыта.

Пример фазового соотношения приведены на осциллограмме (рис. 3) (параметр фазного тока снимается с активного сопротивления модели активной обмотки трансформатора и на осциллограмме развернут на 180 электрических градусов).

Параметры кабеля до точки к.з., а также параметры кабеля и электродвигателя после точки к.з. представлены соответственно соответствующими активными сопротивлениями и индуктивностями. При этом за основу принимаются табличные значения активных и индуктивных сопротивлений элементов электротехнического комплекса, с последующим пересчетом каждого активного сопротивления в параметры индуктивности:

L = Χ / (2π ƒ)

Подобная модель позволяет выяснить количественный показатель изменения фазового соотношения между фазными током и напряжением, в зависимости от параметров применяемого трансформатора кабеля и точки возникновения трехфазного к.з.

Отличительной особенностью таких комплексов является наличие индуктивности, что в свою очередь определяет фазовое смещение тока относительно напряжения. В процессе к.з. конфигурация сети существенно меняется, что, в свою очередь, будет приводить к изменению фазового соотношения тока и напряжения. Указанное фазовое соотношение может рассматриваться как информационный параметр для построения усовершенствования устройства защиты. В связи с этим, научный и практический интерес представляет собой не только величина данного параметра, но и динамика его изменения в момент и в процессе к.з. Возмущающие факторы, которые обязательно должны быть учтены – это мощность трансформаторной подстанции, сечение и длины кабелей и расстояние от питающей подстанции до точки к.з. Учет этих параметров позволит выполнить комплексное исследование процесса.

2.2 Алгоритмизация процесса выявления короткого замыкания с использованием фазочувствительного органа

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. Поэтому выявление начального этапа к.з. в электротехническом комплексе шахтного участка может быть основано на комплексном учете указанных параметров.

Выявление малой величины угла между фазным током и напряжением может быть выполнено на основе сопоставления временных интервалов полуволн фазных тока (импульс U_к4) и напряжения (импульс U_к3) сети соответствующей полярности (рис. 4), и преобразования интервала совпадения в соответствующий пилообразный импульс U_БПН. Достаточная величина пилообразного импульса U_БПН 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 U_выхк5). 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 U_оп1 и U_оп2 (рис. 5), при этом в момент прохождения током нижнего уровня (контролируется посредством дифференциальной цепи) сигнал может быть сформирован в импульс ждущего мультивибратора U_жм1 с заданной длительностью срабатывания t_жм1. Повышенная интенсивность роста тока соответствует совпадению по времени интервалов существования импульса U_вых.к2 (сформированного после прохождения током второго заданного уровня) и импульса U_жм1 заданной длительности.

Кабели участковой сети являются наиболее уязвимым местом всей системы электроснабжения шахты.

Вся рудничная электроаппаратура размещена в специальных оболочках, которые надежно защищают ее от любых механических воздействий. Но кабели, которые эксплуатируются в шахтных электрических сетях, недостаточно защищены от повреждений при перемещении забойного оборудования, обрушениях породы или пачек угля. Повреждение изоляции кабеля приводит к возникновению междуфазных утечек, которые перерастают в токи короткого замыкания.

В результате выполненных исследований компьютерной модели шахтной участковой сети установлен характер изменения составляющей тока и напряжения к.з. Заметили изменения информационных параметров при изменении параметров разных составляющих шахтной участковой сети.

На основании предварительно проведенных исследований установлено, что факторами сопутствующими возникновению короткого замыкания являются интенсивность роста потребляемого тока, а также факт смещения фазового угла между током и напряжением сети.

Рассматривая по отдельности каждый фактор, невозможно однозначно сделать вывод о возникновении к.з. Поскольку увеличение тока сети может быть вызвано подключение отдельных кабельных сетей потребителей, включая процессы пуска асинхронного двигателя.

Смещение фазового угла может также иметь место, в связи с подключением и отключением отдельных групп потребителей, а также в связи с пуском асинхронного двигателя. Однако одновременное изменение указанных факторов возможны только при к.з. при условии значительной интенсивности роста потребляемого тока. Таким образом построение быстродействующей максимальной токовой защиты должно быть основании на разработке схем двух ее каналов: канала контроля роста тока и канала контроля уменьшение фазового угла.

Алгоритм действия защиты состоит в следующем:

Работа канала роста тока:
Шаг 1 – Измерение потребляемого тока;
Шаг 2 – Преобразование потребляемого тока в пропорциональное напряжение;
Шаг 3 – Сравнение указанного напряжения с нижним пороговым уровнем;
Шаг 4 – Формирование импульсов нижнего порогового уровня;
Шаг 5 – Формирование импульсов ограниченной длительности в момент превышения величины нижнего порогового уровня;
Шаг 6 – Сравнение измеренного напряжения с верхним пороговым уровнем;
Шаг 7 – Формирование контрольного импульса на интервале одновременного существования импульса ограниченной длительности и сигнала превышения измеряемой напряжения величины верхнего порогового уровня.

Алгоритм работы канала роста тока представлен на рис. 6.

Канал выявления фазового смещения:

1. Измеряется ток и напряжения фазы сети;
2. Сигнал пропорциональный току преобразован в пропорциональное напряжение;
3. На интервале существования синусоид фазного тока и напряжения одинаковой полярности формируются прямоугольные импульсы;
4. Формируются прямоугольные импульсы U₁ и U₂;
5. Формируются импульсы U₃ на интервале одновременно существующих U₁ и U₂;
6. Формируется пилообразная гиперболически увеличиваемая напряжение на интервале существования импульса U₃;
7. Указанное напряжение сравнивается с пороговым уровнем;
8. Формируется выходной импульс в случае превышения пилообразного напряжения порогового сигнала.

Алгоритм канала выявления фазового смещения представлен на рис. 7

.

В случае одновременно существующих выходных импульсов обоих измерительных каналов формируется сигнал управления защитным отключением электроустановки.

2.3 Структурная схема

Проанализировав модель и процессы в месте повреждения кабеля, пришли к выводу, что в настоящее время теория к.з. не учитывает опасные процессы, происходящие в гибком кабеле, который в свою очередь является питающим кабелем асинхронного двигателя, что в следствии в условиях шахты может привести к аварии. То есть, технические решения защиты которые сейчас используется в шахте (МТЗ, реле утечки и др.) предусматривают определенный срок срабатывания защиты, во время которого снабжение током аварийного силового присоединения будет поддерживаться. Однако, в опасных условиях шахты этот срок целесообразно минимизировать.

Изобразим структурную схему электротехнического комплекса участка шахты (рис. 8)

На схеме 8 обозначено:
ТП – обмотка трансформатора;
АВ – автоматический выключатель;
МТЗ – максимальная токовая защита;
РУ – реле утечки;
З – заземлитель;
МП1-n – магнитные пускатели;
АД1-n – асинхронные двигатели;
ИУ – измерительное устройство;
ИЧ – исполнительная часть.

Структурная схема устройства, выполняющего функцию автоматического обесточивание места повреждения кабеля изображена на рис. 9:

На рисунке 9 изображено:
АД – асинхронный двигатель;
КА – контактор;
ТЭ – токоограничивающий элемент;
РУЭ – элемент поддержания работоспособности реле утечки;
ЭВ – элемент возврата в исходное состояние;
ИЭ – измерительный элемент;
ВЭ – воспринимающий элемент;
З – заземление.

Выводы

В результате проведенных исследований был проведен анализ максимальной токовой зашиты электротехнического комплекса участка шахты и на этом основании было разработано устройство быстродействующей фазочувствительной максимальной токовой защиты шахтной электроустановки.

Была разработана математическая модель к.з. в участковой сети с присоединенной нагрузкой. Разработанная модель позволяет определить величину фазового угла между током и напряжением, характер их изменений. Т.к. промышленная электросеть содержит активные и индуктивные элементы, то в процессе к.з. часть индуктивной составляющей сети скачкообразно выводится из работы, угол между током и напряжением резко изменяется.

С целью устранения влияния этих факторов устройство дополнено функциональным узлом, реагирующим на скорость изменения тока в электросети.

При написании данного реферата магистерская диссертация еще не завершена. Окончательное завершение: май 2019 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. К.Н.Маренич. Визначення терміну проходження струмом двох фіксованих рівнів як спосіб прискорення функції максимального струмового захисту. Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Обчислювальна техніка та автоматизація». Вип. № 2 (25). – Донецьк: ДонНТУ, 2013. – С. 27–33.
2. Дулин И.В., Ковалева И.В. Быстродействующая максимальная токовая защита в электросети шахтного участка. ДОНБАС-2020: перспективи розвитку очима молодих вчених: VI Міжнародна науково-практична конференція, зб. наук. праць – Донецьк: ДонНТУ, 2012. – с. 271-274.
3. Щуцкий В.И. Электрификация подземных горных работ: учебник [для студентов высших учебных заведений] / В.И. Щуцкий, Н.И. Волощенко, Л.А. Плащанский – М.: Недра, 1986. – 364с.
4. Автоматическая защита электрооборудования шахт от аварийных и опасных состояний: уч. пособ. для высш. учебн. заведений / К.Н. Маренич, И.В. Ковалёва. - Донецк: ООО «Технопарк ДонГТУ «УНИТЕХ», 2015. – 214 с.
5. 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). – 477 с.; Т.2.: (Гл.22-44). – 440 с.
6. Маренич К.М. Електрообладнання технологічних установок гірничих підприємств: [підруч. для студентів вищих навч. закладів] / Маренич К.М., Калінін В.В., Товстик Ю.В., Лізан І.Я., Коломієць В.В. - Донецьк: ДонНТУ, Харків: УІПА, 2009 .- 372 с.
7. Риман Я.С. Защита шахтных участковых сетей от токов короткого замыкания. – М., Недра,1985г.,88 стр.
8. Брянцев А.М., Лурье А.И., Смоловик С.В. Вставки переменного тока для ограничения тока короткого замыкания и компенсации реактивной мощности с использованием управляемых подмагничиванием шунтирующих реакторов. Электричество. – 2012. – №8. – С. 20–25.
9. Беркес А.В., Принципы моделирования динамических процессов в шахтной участковой электросети, сопровождающих состояния междуфазного короткого замыкания. Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых: сборник научных трудов ХVIII научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 22-24 мая 2018 г. - Донецк: ДОННТУ, 2018. – 544 с.
10. Беркес А.В., Принципы исследования процесса коротких замыканий в контексте разработки устройства защиты по признаку фазового смещения тока. Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых: сборник научных трудов ХVII научно-технической конференции аспирантов и студентов в г. Донецке 24-25 мая 2017 г. - Донецк : ДонНТУ, 2017. – 409 с.