ДонНТУ   Портал магістрів

Беркес Ангеліна Володимирівна

Факультет комп’ютерних інформаційних технологій і автоматики (КІТА)

Кафедра Гірнича електротехніка і автоматика імені Р. М. Лейбова

Спеціальність Автоматизація технологічних обьєктів та віробництва

Дослідження властивостей багатодвигунного електротехнічного комплексу дільниці шахти в контексті впливу на властивості максимального струмового захисту від коротких замикань з підвищеними параметрами швидкодії

Науковий керівник: д. т. н., проф. Маренич Костянтин Миколайович

Резюме Біографія Реферат

Зміст

• 1. Загальна характеристика роботи
• 2. Наукові положення, отримані в ході дослідження
• 2.1 Моделювання процесів і теоретичне обгрунтування способів підвищення швидкодії МСЗ
• 2.2 Алгоритмізація процесу виявлення короткого замикання з використанням фазочуттевого органу
• 2.3 Структурна схема
• Висновки
• Перелік посилань

1. Общая характеристика работы

Актуальність теми. Аналіз пристрою і принципів роботи відомих засобів захисту шахтної дільничної електромережі від к.з. показує, що всі вони відрізняються певною інерціональностью, обумовленої тимчасовими затримками необхідними для вимірювання струмів мережі, що захищається і його порівняння з прийнятою уставкой. Тому практичну актуальність набуває завдання пошуку нових принципів побудови МСЗ, що буде задовольняти питань безпеки експлуатації високовольтних мереж.

Зокрема, з метою виявлення прискорення к.з. може бути застосований метод контролю швидкості наростання струму. Однак зростання струму характерний і для інших позаштатних станів, таких як перевантаження електродвигуна. З іншого боку к.з. супроводжується різким зміщенням між струмом і напругою, але нестабільність фазового співвідношення зазначених параметрів характерні і для таких перехідних процесів пуск в роботу асинхронного двигуна або її перевантаження. Очевидно, що одночасна зміна фазового співвідношення і параметра швидкості наростання струму можуть вважатися інформаційними параметрами про к.з. в силовому приєднання.

Отже, наукової та практичної актуальністю володіє завдання пошуку нового інформаційного параметра для побудови максимального струмового захисту (МСЗ) з поліпшеними технічними показниками. Об'єктивно йдеться про захист промислових електромереж, в складі яких експлуатується значна кількість асинхронних двигунів.

Метою дослідження є обґрунтування способу прискореного автоматичного виявлення процесу міжфазного короткого замикання в шахтної дільничної електромережі на основі врахування комплексу параметрів в динаміці їх зміни.

Основні завдання дослідження:

• аналіз шахтної дільничної електромережі як об’єкта дослідження;
• аналіз характеру зміни параметрів дільничної електромережі в процесі розвитку к.з.;
• комп’ютерне моделювання процесу міжфазного к.з. в шахтної дільничної електромережі;
• обґрунтування структури і схеми пристрою швидкодіючої захисту від к.з.

Об’єкт дослідження — шахтна дільнична електромережа.

Предмет дослідження — характер зміни параметрів дільничної електромережі в процесі розвитку к.з.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати магістерської дисертації доповідалися і обговорювалися на: Міжнародних науково-технічних конференціях "Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых" (г. Донецьк, 2015 – 2017 г.); XIX Міжнародній молодіжної наукової конференції "СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ 2018" (м. Ухта, Республіка Комі, 2018 г.); IV молодіжної наукової конференції "Молодежь в науке: новые аргументы" (г. Ліпецьк, Росія, 2018 г.).

2. Наукові положення, отримані в ході дослідження

2.1 Моделювання процесів і теоретичне обгрунтування способів підвищення швидкодії МСЗ

Дослідження особливостей інформаційних параметрів, що характеризують виникнення процесу короткого замикання в приєднання шахтного дільничного електротехнічного комплексу доцільно виконувати, використовуючи схему заміщення рис.1. Вона узгоджується з принциповими положеннями у відношення подібних об’єктів і найбільш повно враховує активно-індуктивні параметри трансформатора підстанції електроспоживання, кабельної мережі до і після точки к.з., асинхронного двигуна, включаючи його фазні ЕРС обертання. [1]

Дослідження характеру зміни фазового співвідношення між фазним струмом електромережі та її напруги в момент виникнення к.з. може бути виконано, зокрема, на основі використання програмного продукту Electronic Work Bench.

Розрахункова схема моделі фрагмента електротехнічного комплексу представлена на рис. 2.

Вона включає в себе модель трифазного джерела живлення з активно-індуктивними параметрами обмоток відповідних параметрам трансформатора ділянки шахти. Місце трифазного к.з. моделюється замикаючими контактами, що спрацьовують через заданий проміжок часу з початку досліду.

Параметри кабелю до точки к.з., а також параметри кабелю і електродвигуна після точки к.з. представлені відповідно відповідними активними опорами і індуктивностями. При цьому за основу приймаються табличні значення активних і індуктивних опорів елементів електротехнічного комплексу, з наступним перерахунком кожного активного опору в параметри індуктивності:

L = Χ / (2π ƒ)

Подібна модель дозволяє з’ясувати кількісний показник зміни фазового співвідношення між фазними струмом і напругою, в залежності від параметрів застосовуваного трансформатора кабелю і точки виникнення трифазного к.з.

Відмінною особливістю таких комплексів є наявність індуктивності, що в свою чергу визначає фазовий зсув струму щодо напруги. В процесі к.з. конфігурація мережі істотно змінюється, що, в свою чергу, буде приводити до зміни фазового співвідношення струму і напруги. Зазначене фазовий співвідношення може розглядатися як інформаційний параметр для побудови удосконалення пристрою захисту. У зв'язку з цим, науковий і практичний інтерес представляє собою не тільки величина даного параметра, але і динаміка його зміни в момент і в процесі к.з. Обурюють фактори, які обов’язково повинні бути враховані — це потужність трансформаторної підстанції, перетин і довжини кабелів і відстань від живильної підстанції до точки к.з. Облік цих параметрів дозволить виконати комплексне дослідження процесу.

2.2 Алгоритмізація процесу виявлення короткого замикання з використанням фазочуттевого органу

Параметрами, які супроводжують міжфазове коротке замикання в приєднанні з активно-індуктивним (кабельна мережа, асинхронний двигун) навантаженням є швидкість наростання струму і суттєве зменшення фазового кута між струмом та напругою відповідної фази. Тому виявлення початкового етапу к.з. в електротехнічному комплексі шахтної дільниці може бути засноване на комплексному обліку зазначених параметрів.

Виявлення малої величини кута між фазним струмом і напругою може бути виконано на основі зіставлення тимчасових інтервалів полуволн фазних струму (імпульс U_к4) і напруга (імпульс U_к3) мережі відповідної полярності (рис. 3), і перетворення інтервалу збігу в відповідний пилкоподібний імпульс U_БПН. Достатня величина пилообразного імпульсу U_БПН свідчить про ненормально низьку величину фазового кута і може служити умовою вимірювання швидкості росту струму di / dt на фіксованому інтервалі часу (сформованим переднім фронтом імпульсу U_выхк5). Високе значення параметра di / dt на цьому інтервалі (тобто, що збігається з низькою величиною фазового кута) свідчить про початок режиму к.з.

Визначення величини di / dt може бути виконано на основі контролю проміжку часу проходження фазним струмом захищаємої мережі двох віддалених рівнів U_оп1 и U_оп2 (рис. 4), при цьому в момент проходження струмом нижнього рівня (контролюється за допомогою диференціальної ланцюга) сигнал може бути сформований в імпульс чекающого мультивібратора U_жм1 із заданою тривалістю спрацьовування t_жм1. Підвищена інтенсивність росту струму відповідає збігу за часом інтервалів існування імпульсу U_вых.к2 (сформованого після проходження струмом другого заданого рівня) і імпульсу U_жм1 заданої тривалості.

Кабелі дільничної мережі є найбільш вразливим місцем всієї системи електроживлення шахти.

Вся копальнева електроапаратура розміщена в спеціальних оболонках, які надійно захищають її від будь-яких механічних впливів. Але кабелі, які експлуатуються в шахтних електричних мережах, недостатньо захищені від ушкоджень при переміщенні забійного обладнання, обваленнях породи або пачок вугілля. Пошкодження ізоляції кабелю призводить до виникнення міжфазних витоків, які переростають в струми короткого замикання.

В результаті виконаних досліджень комп’ютерної моделі шахтної дільничної мережі встановлено характер зміни складової струму і напруги к.з. Помітили зміни інформаційних параметрів при зміні параметрів різних складових шахтної дільничної мережі.

На підставі попередньо проведених досліджень встановлено, що факторами супутніми виникнення короткого замикання є інтенсивність росту споживаного струму, а також факт зміщення фазового кута між струмом і напругою мережі.

Розглядаючи окремо кожен фактор, неможливо однозначно зробити висновок про виникнення к.з. Оскільки збільшення струму мережі може бути викликано підключення окремих кабельних мереж споживачів, у тому числі процесів пуску асинхронного двигуна.

Зсув фазового кута може також мати місце, в зв'язку з підключенням і відключенням окремих груп споживачів, а також у зв'язку з пуском асинхронного двигуна. Однак одночасна зміна зазначених факторів можливі тільки при к.з. за умови значної інтенсивності росту споживаного струму. Таким чином побудова швидкодіючого захисту максимального струму повинно бути підставі на розробці схем двох її каналів: каналу контролю росту струму і каналу контролю зменшення фазового кута.

Алгоритм дії захисту полягає в наступному:

Алгоритм роботи каналу зростання струму представлений на рис. 5.

Алгоритм каналу виявлення фазового зсуву представлений на рис. 6

.

У разі одночасно існуючих вихідних імпульсів обох вимірювальних каналів формується сигнал управління захисним відключенням електроустановки.

2.3 Структурна схема

Проаналізувавши модель і процеси в місці пошкодження кабелю, прийшли до висновку, що в даний час теорія к.з. не враховує небезпечні процеси к.з., що відбуваються в гнучкому кабелі, який в свою чергу є живильним кабелем асинхронного двигуна, що в слідстві в умовах шахти може призвести до аварії. Тобто, технічні рішення захисту які зараз використовується в шахті (МСЗ, реле витоку і ін.) Передбачають певний термін спрацьовування захисту, під час якого постачання струмом аварійного силового приєднання буде підтримуватися. Однак, в небезпечних умовах шахти цей термін доцільно мінімізувати.

Зобразимо структурну схему електротехнічного комплексу дільниці шахти (рис. 7)

Структурна схема пристрою, що виконує функцію автоматичного знеструмлення місця пошкодження кабелю зображена на рис. 8:

Висновки

В результаті проведених досліджень було проведено аналіз максимального струмового захисту електротехнічного комплексу дільниці шахти і на цій підставі було розроблено пристрій швидкодіючого фазочуттєвого максимального струмового захисту шахтної електроустановки.

Була розроблена математична модель к.з. в дільничній мережі з приєднаним навантаженням. Розроблена модель дозволяє визначити величину фазового кута між струмом і напругою, характер їх змін. Оскільки промислова електромережу містить активні і індуктивні елементи, то в процесі к.з. частина індуктивної складової мережі стрибкоподібно виводиться з роботи, кут між струмом і напругою різко змінюється.

З метою усунення впливу цих факторів пристрій доповнений функціональним вузлом, що реагує на швидкість зміни струму в електромережі.

При написанні даного реферату магістерська дисертація ще не завершена. Остаточне завершення: травень 2019 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

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.