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
Выводы
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.
Перечень ссылок
1. Справочник энергетика угольной шахты / [Дзюбан В.С., Ширнин И.Г., Ванеев Б.Н., Гостищев В.М.]; под общ. ред. Ванеева Б.Н. – [2-е изд.] – Донецк, ООО «Юго-Восток Ltd.», 2001 – Т2, - С. 404-418.
2. И. В. Ковалёва Анализ факторов воздействия при дугообразованиях в контексте моделирования коммутационных переходных процессов в силовой цепи электротехнического комплекса участка шахты / И. В. Ковалёва, В. В. Соболев // Наукові праці ДонНТУ, серія обчислювальна техніка та автоматизація. Донецьк: ДонНТУ, 2010. – Вип. 19(171). – С.198-205.
3. Маренич К. Н. О технических возможностях выявления начального этапа короткого замыкания в электросети участка шахты / К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва // Праці Луганського відділення Міжнародної академії інформатизації. – Луганськ: СНУ ім. В. Даля, 2010. – №2 (22). – С. 26-30.
4. Патент на корисну модель 50773 (UA), МПК (2009) Н02Н 3/00 Спосіб захисту від струмів короткого замикання в мережі живлення асинхронного двигуна / К.М. Маренич, І. В. Ковальова. u 2009 13013. Заявл. 14.12.2009. Опубл 25.06.2010. Бюл. №12.