Гаврилко А. В.

кафедра Горной электротехники и автоматики

Введение

2 Теоретическое обоснование параметров разрабатываемого устройства

3 Схема разрабатываемого устройства защиты

В наш век космических технологий подавляющее большинство машин и механизмов угольных шахт оснащено нерегулируемым по скорости электроприводом на основе асинхронного двигателя (АД) с короткозамкнутым ротором. Отсутствие эффективных средств регулирования скорости ограничивает функциональные возможности привода, обуславливает повышенный износ его элементов (высокий уровень ускорений, динамических усилий при пуске и зачастую становится причиной травматизма обслуживающего персонала. Наиболее эффективным средством такого регулирования является силовой тиристорный преобразователь частоты. Функциональные возможности силовых тиристорных коммутаторов (СТК) позволяют рационально решить вопросы управления пуском и торможением асинхронного электропривода горной машины. Привод горной машины, оснащенный тиристорным аппаратом, обладает преимуществами как технического, так и социального характера по сравнению с серийным приводом, оснащенным гидромуфтами. Применение тиристорного аппарата повышает эффективность защиты горной машины от перегрузок, вызванных стопорением рабочего органа, сокращает время вынужденных простоев комплекса в целом [1].

Но появляется проблема несрабатывания ныне действующих серийно выпускаемых максимальных токовых защит (МТЗ) при больших углах отпирание СТК, что может повлечь появление в подземных условиях угольных шахт неотключаемогоне отключаемого короткого замыкания, сопровождающегося значительным перегревом кабелей и электрооборудования, открытыми дугами, может привести к возникновению пожара, повреждению кабельной сети, электрооборудования, опасно по фактору взрыва метановоздушной смеси. В связи с этим актуальна задача создания защиты, способной выявлять аварийные режимы в сетях с переменными параметрами с достаточной надежностью и быстродействием. В данной научно-технической работе предлагается устройство, способное решить задачу выявления аварийных режимов в сетях с переменными параметрами с достаточной надежностью и быстродействием.

Применение электроэнергии в шахтах сопряжено с рядом опасностей: поражением обслуживающего персонала электротоком: пожарами, взрывами метана открытыми дугами, искрами и токами утечек. Поэтому важное значение имеет разработка различных мероприятий и средств обеспечения безопасности [1]. Специфическая особенность подземных выработок угольных шахт - возможность образования в рудничной атмосфере взрывоопасной концентрации метана или смеси воздуха с некоторым количеством взрывчатой пыли - определяет условия эксплуатации электрооборудования и кабелей в них, как существенно отличающиеся от условий на промышленных предприятиях [1,2]. Ограниченность пространства в горных выработках участка при недостаточной освещенности значительно усложняет монтаж, обслуживание и профилактический ремонт электрооборудования. Из-за несвоевременного устранения возникших неисправностей в электрооборудовании, а также в результате ошибочных действий обслуживающего персонала в шахтном электрооборудовании возникают короткие замыкания (КЗ) [2,3].

Шахтное электрооборудование в значительной степени подвергается влиянию влажной атмосферы и угольной пыли. Электрические параметры изоляции электрооборудования и кабельных сетей при наличии влаги, имеющей большую диэлектрическую проницаемость, изменяется во времени. Влага вызывает коррозию металлических частей и снижает электрическую проницаемость изоляции. В автоматических выключателях, пускателях при горении дуги образуются окислы азота, которые в присутствии влаги превращаются в азотистую кислоту, являющуюся сильным окислителем и быстро ухудшающую качество изоляции. В электроприводах шахтных машин и механизмов разрушающее действие на обмотку изоляции оказывает масло, проникающее из-за износа или некачественного выполнения защитных уплотнений масляных ванн. В условиях эксплуатации угольная пыль и влага оседают на поверхности электроизоляционных деталей электрооборудования, благодаря чему появляются токи утечки, которые при определенных условиях перерастают в токи КЗ. При периодическом нагреве и охлаждении шахтного электрооборудования может образоваться роса, которая также создает условия для возникновения КЗ [3,4].

Основной причиной возникновения КЗ в подземных выработках шахт является механическое повреждение электрооборудования. Рудничная электрическая аппаратура и электродвигатели имеют механически прочные оболочки, защищающие их активную часть от внешних механических воздействий. В то же время в подземных выработках шахт эксплуатируются тысячи километров бронированных и гибких кабелей, оболочки которых имеют недостаточную механическую прочность. При этом наибольшую аварийность имеют гибкие кабели, прокладываемые непосредственно в забоях [2,3]. Рудничное электрооборудование и кабели подвергаются значительным механическим воздействиям при обрушении породы или угля, при буровзрывных работах и перемещениях нестационарного электрооборудования. При повреждениях кабелей, кроме однофазных утечек, возможно появление междуфазных утечек, перерастающих во многих случаях в токи КЗ. КЗ может возникнуть непосредственно в результате повреждения кабеля, обрушившейся породы или пачкой угля, а также перемещением забойного оборудования или транспортного средства [2,3]. Механические же повреждения электрооборудования и кабелей в шахтных условиях при наличии электрической энергии опасны возникновением взрывов и пожаров рудничной атмосферы [1,2]. Как и в общепромышленных установках, КЗ в участковых сетях вызывают разрушение электрооборудования.

Надежность работы подземных электрических установок должна обеспечиваться правильным их выбором, монтажом и эксплуатацией. При этом необходимо оценивать и учитывать опасные последствия, связанные с возникновением КЗ: трехфазное; двухфазное металлическое в сети отключенной нагрузкой; двухфазное через переходное сопротивление в сети с отключенной нагрузкой; двухфазное металлическое с присоединенной нагрузкой; двухфазное через переходное сопротивление в сети с присоединенной нагрузкой.

В общем случае возникающие при КЗ аварийные токи зависят от параметров генерирующих источников питания, конфигурации электрической сети и параметровпараметров, входящих в нее элементов, вида КЗ и сопротивления короткозамкнутой цепи, фазы э.д.с. в момент возникновения КЗ, наличия или отсутствия присоединенной нагрузки.

При возникновении КЗ общее электрическое сопротивление цепи системы подземного электроснабжения уменьшается, что вызывает увеличение токов в сети. При этом с момента возникновения КЗ до момента отключения поврежденного участка в сети существует переходный процесс [3,4]. Для обеспечения высокого уровня надежности и безопасности подземных электроустановок необходимы совершенные средства защиты. Схемы и конструкции защитной аппаратуры должны выполняться с учетом условий эксплуатации, особенностей подземных электрических сетей, режимов работы рудничного электрооборудования.Одна из задач МТЗ заключается в том, чтобы предотвратить опасное действие токов КЗ, протекающих через неповрежденные элементы подземных электрических установок. Для повышения безопасности эксплуатации шахтных электрических сетей необходимо дальнейшее совершенствование их защит от малых токов КЗ.

Мощность отдельно установленных в шахтных участковых сетях трансформаторов значительно меньше суммарной мощности генераторов питающей системы. Поэтому возникающие при КЗ в подземных электрических сетях напряжением 380,660 и 1140 В аварийные токи практически не оказывают влияния на токи генераторов системы. В таких случаях питающую систему можно считать источником с неизменной э.д.с., а характер переходного процесса при КЗ в участковой сети изображен на рисунке 1.1.

Мгновенное значение полного тока КЗ i_к в любой момент времени его протекания можно представить состоящим из двух составляющих: периодической i_п и апериодической i_а. Периодическая составляющая i_п представляет собой синусоиду промышленной частоты 50 Гц с незатухающими во времени амплитудами. Апериодическая составляющая i_а представляет собой ток одного направления, быстро затухающий во времени. Начальное значение апериодической составляющей тока КЗ I_а0 противоположно по знаку и практически мало отличается (на величину нагрузки предшествующего режима) от начального значения периодической составляющей I_п0. В начальный период протекания переходного процесса кривая полного тока КЗ i_к сдвинута относительно оси времени, причем в первый полупериод i_кдостигает своего максимального значения i_у, называемого ударным током.

Мгновенное значение полного тока КЗ i_к может быть определено из выражения

,

(1.1)

где I_km – амплитудное значение периодической составляющей тока КЗ;
ω – угловая частота;
α – фаза включения при t=0;
φ_к - arctg - угол сдвига тока КЗ R_k,
X_к – соответственно активное и индуктивное сопротивление короткозамкнутой цепи;
T_а=- постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ.

Наибольшее мгновенное значение полного тока КЗ i_у (ударный ток) можно определить из выражения

,

(1.2)

где

.

(1.3)

В формулах (1.2) и (1.3) K_у – ударный коэффициент; t_к – время наступления максимума тока КЗ. В практических расчетах ударный коэффициент K_у определяют по кривым или из выражения

K_у=1+e.

(1.4)

При расчетах ударного коэффициента по формуле (1.4) принимают, что ток предшествующего режима отсутствует, а в момент КЗ апериодическая составляющая аварийного тока имеет наибольшее значение. При этом считается, что максимум аварийного тока наступает при времени, отличном от 0,01 с после возникновения КЗ. Но максимальное значение апериодической составляющей тока КЗ еще не предопределяет максимальное значение ударного коэффициента. Максимум ударного тока во многих случаях может наступить при времени, отличном от 0,01 с.

В работе на основе проведенных теоретических исследований получены нижеприведенные расчетные формулы для определения времени t_к наступления максимума мгновенного значения полного тока КЗ i_у и исходя из этого времени ударного коэффициента K_у:

;

(1.5)

.

(1.6)

где -в время наступления первого положительного максимума периодической составляющей тока КЗ, с.

На рисунке 1.2 по данным приведены рассчитанные по формулам (1.5) и (1.6) зависимости ударного коэффициента К_у и времени наступления максимума мгновенного значения полного тока КЗ t_k от тангенса угла сдвига тока tg в короткозамкнутой цепи. При КЗ в шахтной участковой сети время наступления максимума мгновенного значения полного тока КЗ меньше 0,01 с. что же касается ударного коэффициента, то на его величину существенное влияние оказывает угол сдвига тока в короткозамкнутой цепи.
На рисунке 1.3 приведены расчетные зависимости ударного коэффициента К_у от сопротивления Z_к кабельной линии до точки КЗ при установке в сетях 660 и 1140В трансформаторной подстанции ТСВП-630/6. Из приведенных на рисунке 1.3 зависимостей видно, что при КЗ на зажимах трансформаторной подстанции ТСВП-630/6 ударный ток КЗ на 58% превышает амплитудное значение периодической составляющей тока КЗ. Из полученных данных также следует, что в электроустановках напряжением 1140В кабельная сеть оказывает меньшее снижающее влияние на ударный коэффициент К_у, чем в электроустановках напряжением 660В.

Кабельная сеть в электроустановках напряжением 380В снижает ударный коэффициент К_у еще в большей степени.

Средства защиты шахтных подземных электрических сетей от токов КЗ должны обеспечивать высокую надежность работы, достаточную чувствительность их измерительных органов, необходимую быстроту действия, избирательность (селективность) действия.

Надежность работы устройств защиты в подземных сетях в связи с повышенной опасностью возникновения и развития аварийных режимов охватывает широкий круг специальных требований, основными из которых являются:

безотказность действия при возникновении на защищаемом участке аварийных режимов;

возможность отстройки от режимов переходных процессов при повреждениях вне зоны действия защиты и коммутационных переключениях.

Надежность устройств защиты принято характеризовать коэффициентом надежности Кн. Для токовой защиты шахтных аппаратов согласно инструкции к § 438 ПБ [4,5] К_н следует принимать равным 1,2-1,4.

Чувствительность защиты характеризует ее способность реагировать на отклонение контролируемых параметров сети от их нормальных или заданных значений. Например, для защиты от токов КЗ коэффициент чувствительности

К_ч = I ⁽²⁾_{к min} / I_у

(1.7)

где I⁽²⁾_{к min} - расчетный минимальный ток двухфазного металлического КЗ в электрически наиболее удаленной точке зоны действия защиты, А; I_у - уставка тока срабатывания защиты, А [5,6].

В сетях напряжением выше 1140 В следует принимать Кчі 2, а для защит на питающих линиях ЦПП, РПП, силовых трансформаторов, а также в сетях напряжением до 1140В - Кчі1,5 [5, 6].

Величина коэффициента чувствительности должна выбираться из условия обеспечения надлежащего срабатывания МТЗ при уменьшении тока КЗ по сравнению с расчетной величиной из-за возможного в эксплуатации снижения напряжения; уменьшении тока КЗ по сравнению с расчетной величиной из-за включения в цепь переходных сопротивлений контактов, обмоток трансформаторов тока и др., а также из-за переходных сопротивлений в месте КЗ; увеличении тока трогания защиты вследствие неточности ее калибровки или недостаточно точной установки значения установки. При выборе величины коэффициента чувствительности следует также считаться с влиянием присоединенной нагрузки на токи КЗ.

В Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) [7,8] указываются необходимые минимальные значения коэффициентов чувствительности в зависимости от типа и назначения защиты. Согласно ПУЭ для МТЗ требуется, чтобы минимальное значение коэффициента чувствительности было не менее 1,5. Быстродействие защиты. Одним из основных требований, предъявляемых к МТЗ шахтных комбинированных сетей, является требование достаточно быстрого отключения токов КЗ. Как и для общепромышленных электроустановок, в условиях подземных выработок шахт ускорение отключения аварийных токов при КЗ в сети позволяет либо не допустить, либо уменьшить размер разрушения электрооборудования.

Быстрота действия характеризуется временем, необходимым для срабатывания всех элементов защиты при аварийном режиме. Полное время отключения повреждения t_откл складывается из времени работы защиты t_з и времени действия выключателя t_в, то есть t_откл=t_з+t_в. Следовательно, для ускорения отключения нужно ускорять действия, как защиты, так и выключателей [5,6].

Собственное время срабатывания защиты от токов КЗ в аппаратах распределения не должно превышать 0,04 с, а в аппаратах управления - 0,07 с при кратности тока в реле по отношению к току уставки, равной 1,5. В целях сохранения защитных свойств рудничного оборудования и предупреждения возникновения пожаров при КЗ в кабельных линиях полное время отключения повреждения в установках 6 кВ не должно превышать 0,12 с для маслонаполненных аппаратов и 0,08 с для воздушных электромагнитных выключателей. В сетях до 1000 В полное время отключения поврежденного участка сети при работе защиты и независимых расцепителей должно быть не более 0,1 с для автоматов и 0,2 с для магнитных пускателей при токах КЗ, превышающих уставку реле в 1,25 раза (для автоматов на 1140 В - 0,1 с при токе КЗ, превышающем уставку в 1,5 раза и более).

В установках на 6 кВ время отключения повреждения может быть увеличено на 0,05 c, если отключаемая мощность не превышает 20% номинальной разрывной мощности отключающего аппарата, и на 0,02 с при отключаемых мощностях от 20 до 35% номинальной.

Зона действия МТЗ шахтных магнитных пускателей. Параметры МТЗ шахтных магнитных пускателей должны быть такими, чтобы в участковой сети, удовлетворяющей требованиям нормальной эксплуатации электрооборудования, обеспечивалась надежная защита от токов КЗ. Под зоной действия МТЗ понимают предельное сопротивление сети, при котором еще обеспечивается защита от токов КЗ с требуемым коэффициентом чувствительности.

Селективность действия защиты. Согласно ПУЭ [7,8] в электрических сетях должны применяться средства защиты от токов КЗ, по возможности обеспечивающие селективность [3,4]. Селективность (или избирательность) - способность защиты избирательно отключать только поврежденный участок сети - достигается согласованием уставок защит по току и времени путем применения сложных видов защит (фильтровых дифференциальных, направленных, сопротивления и др.)[5,6].

В электроустановках общего назначения селективность достигается отстройкой защит последовательно включенных в сеть аппаратов по току трогания или времени срабатывания [2,3]. В подземных сетях селективность защиты от сверхтоков по времени недопустима, так как есть опасность взрыва при образованияе в рудничной атмосфере взрывоопасной концентрации метана или смеси воздуха с некоторым количеством взрывчатой пыли. А так как применение сложных защит сопряжено с увеличением габаритов взрывобезопасного электрооборудования и усложнением его обслуживания, вседствии этих причинто в подземных сетях они распространения не получили [5,6]. Таким образом, необходимость обеспечения требуемых быстродействия и коэффициента чувствительности защиты приводи к тому, что не может быть практически обеспечена полная селективность срабатывания устройств защиты, последовательно установленных в сети аппаратов [2,3]. Более приемлемо для подземных сетей такое согласование, когда кроме защиты поврежденного участка сети допускается неселективное срабатывание защит между местом повреждения и источником питания [5,6].

Для защиты подземных электроустановок и сетей от токов КЗ применяются МТЗ как с первичными, так и со вторичными реле и расцепителями прямого и постоянного действия, реагирующими на полные токи. Плавкие предохранители обычно используются совместно с контактором, предназначенным для оперативных переключений.

Плавкие предохранители имеют большую зону разброса, невысокую точность работы. Величина плавящего тока, как и скорость плавления, зависит от большого числа факторов, как материала, длины, сечения, состояния плавкой вставки, окисления, имеющихся повреждений и температуры окружающей среды.

Несмотря на простоту конструкции предохранителей, несложность обслуживания, предохранители имеют существенные недостатки. Выполняемая ими защита имеет низкую чувствительность и малую зону действия. Поэтому в настоящее время они применяются только в реверсивных пускателях ПМВИР-31, 41 и 51, в ручных пускателях ПРШ-1, ПРВ-3.

Более распространенной защитой шахтных электрических сетей низкого напряжения (НН) от токов КЗ является защита первичными токовыми реле прямого действия [5,6]. Максимальные токовые реле прямого действия, встраиваемые в фидерные автоматы и магнитные пускатели, по способу включения относятся к первичным реле, так как включаются непосредственно на рабочее напряжение и ток защищаемой цепи, и их чаще называют максимальными расцепителями (рисунок 1.4 внешний вид приведен в источнике[5]). Это вид токовой защиты применяют в фидерных автоматах серий АВ, АФВ, в пускателях ПМВИ-61.

Максимальные токовые реле прямого действия, встраиваемые в фидерные автоматы и магнитные пускатели, по способу включения относятся к первичным реле, так как включаются непосредственно на рабочее напряжение и ток защищаемой цепи, и их чаще называют максимальными расцепителями (рисунок 1.4). Это вид токовой защиты применяют в фидерных автоматах серий АВ, АФВ, в пускателях ПМВИ-61.

Максимальными расцепителями работают следующим образом. При токах в силовой шине - обмотке 2, превышающих ток уставки расцепителя (устанавливается по шкале), якорь 5 притягивается к сердечнику 1, преодолевая натяжение пружины 4, и своим бойком ударяет по скобе отключающего валика 6 и происходит отключение автомата (пускателя). Для косвенной проверки работоспособности обоих максимальных расцепителей на их сердечниках предусмотрены контрольные катушки 3 (проверочные обмотки), которые включаются от поворота кнопки (или штурвальчика) на корпусе автомата (пускателя). Контрольные катушки рассчитаны на срабатывание расцепителей при напряжении не ниже 90% номинального.

Для защиты шахтных электрических сетей низкого напряжения(НН) получила распространение защита унифицированными блоками УМЗ. МТЗ типа УМЗ состоит из блока защиты и специальных трансформаторов тока типа ТТЗ, которые встраиваются в пускатели, станции управления и другую рудничную аппаратуру управления, в настоящее время применена в рудничных магнитных пускателях ПВИ и ПМВИ, станциях управления МСВ, СУВ и др. Принципиальная схема защиты приведена на рисуноке 1.5.(схема имеется в источниках[6,7,10,11])

Схема защиты состоит из двух одинаковых цепей, каждая из которых включает трансформатор тока ТА, шунтирующие резисторы R_ш и R_n, регулировочный резистор R_р, выпрямительный мост V и исполнительное электромагнитное реле постоянного тока R. Резистор R_ш присоединен непосредственно к вторичной обмотке трансформатора тока ТА, а резистор R_n - через переключатель SB, который в рабочем режиме замкнут. Таким образом, параллельно вторичной обмотке трансформатора тока ТА оказывается присоединенным шунтирующее сопротивление

R₁ = R_ш R_n / (R_ш+ R_n).

(1.8)

Ток I_r вторичной обмотки трансформатора тока, определяемый первичным током I₁ и коэффициентом трансформации К_т, создает на шунтирующем сопротивлении R₁ напряжение, которое подается на выпрямительный мост, нагрузкой которого является электромагнитное реле. Таким образом, исполнительное реле присоединяется к схеме не как токовое, а как реле напряжения. В этом случае при подаче на обмотку реле выпрямленного напряжения ток в обмотке изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени, равной времени нарастания тока в обмотках реле до установившегося значения зависит от соотношения величин шунтирующего сопротивления R₁, активного сопротивления и индуктивности катушки реле.

Особенностью защиты УМЗ является также то, что параметры шунтирующих сопротивлений и катушек реле выдраны такими, что магнитный поток в магнитопроводе при переходных процессах в сети, обусловленных пусковыми режимами электродвигателя, не достигает потока трогания реле. Это дает возможность практически отстраивать защиту УМЗ по фактическому пусковому току электродвигателя (Iу = 1,1Iп.ф.), что позволяет значительно расширить зону ее действия. При этом предельное сопротивление по условиям защиты от токов КЗ значительно превышает сопротивление сети по условиям нормальной эксплуатации электрооборудования в подземных выработках шахт. УМЗ реагирует на величину установившегося тока КЗ, т. е. на средневыпрямленное значение [2, 3].

Для защиты шахтных электрических сетей НН используется также защита полупроводниковыми блоками ПМЗ. Во многих рудничных электроаппаратах (АВ-320Д02, ТСВП-63016-1,2 и др.) устанавливается защита типа ПМЗ. Принципиальная электрическая схема защиты ПМЗ приведена на рисуноке 1.6.(схема приведена в источнике[6]) Основное отличие ПМЗ от УМЗ - быстродействие.

Принципиальная схема ПМЗ. Защита ПМЗ состоит из установленных в трех фазах трансформаторов тока ТА1, ТА2, ТА3 и блока защиты, в котором размещены элементы схемы. Вторичные обмотки трансформаторов тока соединены в "звезду", параллельно каждой обмотке присоединены резисторы R. Между началами вторичных обмоток ТТ и нулевым проводом присоединены измерительная и исполнительная части схемы защиты ПМЗ. При таком построении схемы ТТ являются не только датчиками тока, но и источником питания цепи исполнительного органа защиты, состоящего из последовательно включенных трехфазного выпрямительного моста, собранного на диодах V1, V3, V5, диода V18, обмотки независимого расцепителя YAT автоматического выключателя, тиристора V14 и диода V10. Параллельно обмотке независимого расцепителя YAT присоединена одна из обмоток двухобмоточной электромагнитного реле Л1 с магнитной защелкой.

Измерительная часть схемы содержит трехфазный выпрямительный мост, собранный на диодах V7-V9, делитель напряжения на резисторах R4-R7 и полупроводниковое реле КЗ, вход которого присоединен к делителю напряжения, а выход - к управляющему электроду тиристора V14.

Полупроводниковое реле КЗ состоит из стабилитрона V11, диода V12, конденсаторов С1, С2, резисторов R8, R9 и тиристора V13.

Схема защиты ПМЗ работает следующим образом. При токе в сети, превышающем уставку защиты, напряжение с резистора R подается на электроды силового тиристора V14, а напряжение с параллельно соединенных резисторов R и R1 (R2, R3) - на делитель напряжения R4-R7. Если напряжение на плече делителя с резисторами R6 и R7 превысит напряжение стабилитрона V11, то подается сигнал на управляющий электрод тиристора V13, вызывая его открывание и подачу тока смещения на управляющий электрод тиристора V14. При этом тиристор V14 открывается и обусловливает срабатывание независимого расцепителя автомата YAT и реле К1. Контакт К3 включает цепь сигнализации о срабатывании защиты ПМЗ, а контакт К2, разрывая цепь питания нулевого расцепителя автомата FV, блокирует включение. Возврат реле К1 в исходное состояние осуществляется подачей напряжения 48В на его вторичную обмотку (зажимы 16 и 17) кнопкой S [5,6]. ПМЗ реагирует на мгновенное значение величины тока КЗ, то есть на максимальное значение тока КЗ.

В автоматических быстродействующих выключателях АБВ-250 применена быстродействующая МТЗ БМЗ, содержащая три трансформатора тока ТА1, ТА2, ТА3 с ферромагнитными сердечниками и немагнитными зазорами. Концы вторичных обмоток соединены в нулевую точку, а начала подключены на вход трехфазного выпрямителя VC блока БМЗ. Принципиальная электрическая схема блока БМЗ приведена на рисунокe 1.7.(cхема приведенна в источнике [6])

Напряжение, снимаемое с переменного резистора R1, пропорционально скорости нарастания тока, протекающего в трех фазах защищаемой сети. При превышении скорости нарастания тока в защищаемой сети выше допустимого предела напряжение достигает значения напряжения пробоя последовательно соединенных стабилитронов V1 и V2. Транзистор VT открывается и подает сигнал на срабатывание тиристора VS.

От заряженного конденсатора СЗ через открытый тиристор VS и зажимы 7 и 8 подается сигнал на управляющий электрод тиристора в блоке конденсаторов БЛ (на схеме не показан). Блок БК за счет заряженной до 510-550В батареи конденсаторов включает индукционно-динамический привод быстродействующего выключателя-короткозамыкателя (на схеме не показан) [5,6].

Рассмотренные выше наиболее распространенные защиты УМЗ и ПМЗ имеют уставки срабатывания выше пускового тока, который может достигать 5-7 Iном. Отсюда следует, что двигатели во время работы могут быть значительно перегружены высокими токами. Как следствие, электродвигатели не защищены от опрокидывания, затянувшегося или несостоявшегося пуска. Низкая чувствительность защит при пуске не позволяет реагировать на относительно невысокие величины аварийных токов, вызванных, например, замыканиями через электрическую дугу, что представляет опасность взрыва или пожара в угольной шахте.

Эти перечисленные недостатки могут быть устранены применением устройства для защиты асинхронного электропривода от аварийных токов [8,9].

Устройство для защиты асинхронного электропривода от аварийных токов (рисунок 1.8(схема приведенна в источнике[9])). Устройство защиты содержит датчики тока 1, 2, включенные в фазы трехфазной сети, соединенные первыми выходами между собой и подключенные выходами к входу трехфазного мостового выпрямителя 3, источник питания 8, соединенный с выводами первого и второго резисторов 10, 11 - общим выводом устройства, со вторыми выводами третьего резистора 13 и первого потенциометра 5, выход блока управления защиты 9 соединен с входами двух ключевых элементов 20, 21. При возникновении КЗ в защищаемой сети на выходе компаратора 6 устанавливается логическая единица, что приводит к срабатыванию исполнительного элемента 7. При перегрузке работающего асинхронного двигателя привода ток возрастает, а частота вращения падает и это приводит к исчезновению логической единицы на выходе компаратора 24. Уставка защиты остается на нижнем уровне, причем повышение тока двигателя выше этого уровня уставки приводит к срабатыванию защиты.

Положительный эффект этого устройства в сравнении с известными заключается в повышении чувствительности и быстродействия защиты при пуске привода. Уставка этого устройства защиты изменяется не скачкообразно, а плавно. При этом закон изменения уровня уставки приближен к закону изменения тока электродвигателя (привода) при выходе его на естественную характеристику. В отличиие от известного устройства [9,10], уровень уставки изменяется не по команде реле времени, а при достижении скорости привода при пуске определенного значения, начиная с которого ток двигателя интенсивно снижается. Это понижает зону низкой чувствительности защиты при пуске, позволяет реагировать на относительно невысокие величины аварийных токов, вызванных, например, замыканиями через электрическую дугу (что представляет опасность взрыва или пожара в угольной шахте).

У выше перечисленных устройств не производится защита от малых токов КЗ при глубоком регулировании тиристоров. Поэтому целью данной научно-тенхическойнаучно-технической работы ставится разработка устройства способного защищать сеть от малых токов КЗ при глубоком регулировании тиристоров.

Но в настоящее время в связи с использованием силовых тиристорных коммутаторов (ТК) для облегчения пуска асинхронного электропривода возможны ситуации при определенных углах отпирания тиристоров, когда ток КЗ будет ниже уставки срабатывания защиты. При работе ТК КЗ может произойти при углах отпирания ТК от 0^о до 120^о, при углах больше 120^о и возникновении замыкания отсутствует ток в других фазах. При углах отпирания, близких 0^о-20^о, существующие средства защиты от КЗ могут выявить токи КЗ при этих углах (с учетом длины кабеля до точки возникновения КЗ). А при углах отпирания больше 20^о-30^о, особенно при 80^о-120^о выявление тока КЗ существующими средствами защиты становится проблематичным, а особенно при большой длине кабеля до точки возникновения КЗ. На основании проведенных опытов были получены зависимости тока КЗ действующего и максимального от угла отпирания тиристоров при одной длине кабеля. По полученным зависимостям было произведено модулирование процесса КЗ при разных длинах кабеля от 0 до 300 м.

Для однофазного КЗ и трехфазного КЗ через переходное сопротивление R3=0,1 Ом. Для шахтной сети с ТСВП-400 с Rт = 0,011 Ом, Хт - 0,0403 Ом, кабелем № 1 ЭВТ 3-95 с R1 = 0,185 Ом/км, Х1 = 0,078 Ом/км и кабелем № 2 КГЭШ 3х35 с R2 = 0,539 Ом/км, Х2 = 0,084 Ом/км. На рисунке 1.8 приведены получившиеся графики в трехмерном пространстве, в координатах I_max, L, a, I_дейст, L, a токи максимальные и действующие в амперах, длина кабеля в метрах, угол отпирания в электрических градусах. На рисунке 8 приведен вид этого графика с вершины оси токов и проведены топографические линии для токов 5000, 4500, 4000, 3500, 3000, 2500, 2000, 1500, 1000, 500 А. Эти графики более наглядно показывают зону нечувствительности защиты. Возьмем случай, когда до точки КЗ расстояние от защиты 300 м. Для уставки в Iу - 1000А. При однофазном КЗ ПМЗ не срабатывает при углах выше 80^о, а УМЗ не срабатывает при углах выше 30^о. При трехфазном КЗ ПМЗ не срабатывает при углах выше 75^о, а УМЗ не сработает при углах выше 45^о.

Таким образом, в сложившихся условиях может произойти не то чтобы дуговое замыкание, но и которое замыкание, которое защиты не выявят и тем более не отключат. В результате возникает реальная опасность пожара и взрыва в шахте.В свете приведенных фактов необходимо разработать устройство, которое могло бы автоматически менять уставку срабатывания следом за изменением угла отпирания ТК, то есть за ростом тока.

Современный уровень развития электрооборудования предполагает широкое применение преобразовательной техники. Один из приемлемых способов повышения плавности пуска асинхронного электропривода основан на применении тиристорных регуляторов напряжения (ТРН). Под которым понимается устройство,состоящее из тиристорных коммутирующих элементов и связывающих их силовых цепей (силовая схема), а также цепей управления ими, включающих систему импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорами, различные блоки логики и защиты [12,13]. Простота, дешевизна и надежность создают предпосылки их использования в составе регулируемого электропривода горных машин. Специфика применяемых МТЗ, разработанных УкрНИИВЭ для низковольтного рудничного электрооборудования, состоит в реализации принципа токовой отсечки, поэтому практический интерес представляет выяснение совместимости параметров МТЗ рудничного электрооборудования и электрических сетей с ТРН при КЗ. В настоящее время в связи с использованием силовых тиристорных коммутаторов (СТК) возможны ситуации при определенных углах отпирания тиристоров, когда ток КЗ будет ниже уставки срабатывания защиты. При работе СТК КЗ может произойти при углах отпирания СТК от 0^о до 120^о, при углах больше 120^о и возникновении КЗ отсутствует ток в других фазах и следовательно не будет аварии, но появиться предаварийная ситуация, которая при уменьшении углов отпирания СТК перерастет в аварийную.

В состав исследовательского стенда (рисунок 2.1) входят автоматический выключатель SF1, СТК VS1-VS6, асинхронный двигатель (АД) M1, трехфазное сопротивление замыкания R_з, трансформаторы тока TA1 и напряжения TV1, записывающий прибор CH. В стенде использован АД мощностью 10 кВт, сопротивление каждого из резисторов R_з - 1,3 Ом.

С целью выявления совместимости серийных максимальных защит с процессами при замыканиях в сетях с СТК на рисуноке 2.1 а) и б) представлены графики зависимостей соответственно средневыпрямленных и амплитудных значений пускового тока АД (кривая I_pusk) и тока через сопротивление замыкания R_з (кривая I_kz) от угла отпирания тиристоров a. Уставка срабатывания МТЗ I_у выбирается большей номинального пускового тока АД и проверяется на чувствительность к минимальному току двухфазного КЗ. Как видно из рисунока 2.2 с ростом угла a коэффициент чувствительности падает, а при a>65° ток замыкания становится меньшим тока уставки, что означает несрабатывание блоков УМЗ и ПМЗ.

Исследуем процессы при КЗ в схеме электроснабжения потребителя, содержащей передвижную участковую подземную подстанцию ПУПП, СТК, асинхронный двигатель горной машины АД, магистральный кабель длиной lk1 и питающий кабель горной машины длиной lk2 (рисунок 2.3).

За основу при моделировании взята математическая модель АД, описанная в работах [13,14,15]. На эквивалентной схеме объекта моделирования (рисунок 2.4) обозначены: e(t) – ЭДС обмоток трансформатора, e_в – ЭДС вращения двигателя, R3 – переходное сопротивление замыкания. R1, L1 включают активные сопротивления и индуктивности обмоток трансформатора и магистрального кабеля, R2, L2 – то же для отрезка кабеля от СТК до места КЗ, R4, L4 – то же для отрезка кабеля от места КЗ до АД, включая обмотки статора, R5, L5 – то же для обмоток ротора.

В данной схеме возможны пять комбинаций состояний ключей СТК: все ключи замкнуты, все ключи разомкнуты и три комбинациикомбинации, при которых замкнуты по два ключа в различных фазах. Состояния, когда замкнут лишь один из ключей, невозможны.

С целью уменьшения размерности матриц в уравнении системы расчет целесообразно вести методом контурных токов [15,16]. Для каждого состояния СТК составляются граф схемы, матрица соединений P , ЭДС E_в(t), сопротивлений R_в и индуктивностей ветвей L_в, из которых находятся матрицы контуров Г, контурных индуктивностей L_к и составляется дифференциальное уравнение системы. Из него выражается приращение контурного тока D I_к для решения полученного уравнения одним из численных методов:

(2.1)

где h - шаг интегрирования.

В предлагаемом варианте модели с целью упрощения расчетов не решается уравнение движения привода, поэтому влияние ЭДС вращения АД учитывается введением в соответствующие ячейки матрицы сопротивлений коэффициентов ke_с и ke_р для учета влияния токов статора и ротора на процессы в системе:

где f_р – частота вращения ротора, умноженная на число пар полюсов, Ls _р – индуктивность рассеяния ротора. Для исследования процессов при не установившейся скорости привода необходимо задать зависимость f_р от времени.

Для удобства анализа и расчета целесообразно ввести индексацию переменных на основе функции от состояний ключей СТК:

где fr_a, fr_b и fr_c – соответственно функция состояния ключа фазы A, B и C, которые равны “1” когда ключ замкнут и “0” – когда разомкнут.

Графы схем при различных состояниях ключей изображены на рисунке 2.3. Матрицы соединений P,ЭДС ветвей E_в(t), сопротивлений R_в и индуктивностей L_в для всех состояний СТК формируются следующим образом: в матрице P строки по порядку соответствуют узлам A, D, C, D, E и F; столбцы матрицы P, строки E_в(t), строки и столбцы матриц R_в и L_в расположены в следующем порядке: сначала идут в порядке возрастания их номеров ребра графа (на рисунке 2.3 обозначены пунктиром), а затем – ветви дерева в том же порядке (на рисунке 2.3 обозначены сплошной линией).

В связи с тем, что при коммутации тиристоров изменяется число контуров, ниже приведены формулы перехода от матрицы контурных токов при sc=7 к матрицам контурных токов при других состояниях тиристоров и обратно.

(2.5)

(2.6)

(2.7)

(2.8)

(2.9)

(2.10)

(2.11)

(2.12)

Состояние каждого тиристора СТК определяется уравнением (2.13) [14,15].

(2.13)

В этой формуле функции сложения и умножения – логические, ot – функция отпирания тиристора (равна “1” когда подается отпирающий сигнал и “0” – в противном случае), fi и fu – функции соответственно от тока через тиристор и напряжения на тиристоре (равны “1” когда ток или напряжение больше 0, а иначе – равны “0”. Вследствие того, что решение дифференциальных уравнений численными методами подразумевает расчет с определенным шагом интегрирования, с целью уточнения параметров модели целесообразно воспользоваться следующей формулой для определения состояния тиристора:

(2.14)

где fi1 равно fi приоткрытом тиристоре и fu при закрытом. При запирании тиристора необходимо приравнивать токи соответствующих ветвей нулю.

Алгоритм расчета приведен на рисунок 2.4. В данной модели не учтено влияние нагрузки, питаемой от ПУПП без применения СТК. Исследования показали, что при питании от трансформаторной подстанции ТСВП 630-6/0,69 через ТРН АД мощностью 110 кВт ошибка составила менее 4%, что вполне приемлемо для практических расчетов. Приведенная модель описывает наиболее сложный с точки зрения расчета вид КЗ – трехфазное замыкание при сохранившейся цепи нагрузки. При упрощении схемы (двухфазное замыкание, отсутствие КЗ или КЗ с разрывом электрической связи между цепью питания и АД) расчет производится по аналогичной методике с исключением соответствующих ветвей и узлов.

Серийно выпускаемые МТЗ реагируют на мгновенные или средневыпрямленные значения тока [1,2]. Поэтому, с целью выяснения возможности применения этих защит в сетях с ТРН, необходимо с помощью модели определить вышеназванные значения тока при различных режимах работы СТК. На рисунке 2.6 а) и б) приведены зависимости соответственно средневыпрямленные и амплитудные значения тока трехфазного КЗ от угла отпирания тиристоров a и расстояния от ТРН до места КЗ l. Моделирование велось для следующих условий: питание от трансформаторной подстанции ТСВП 630-6/0,69 через магистральный кабель ЭВТ 3´120+1´10 длиной 50 м и кабель потребителя КГЭШ-3´70+1´10.

Как видно из графиков, ток замыкания уменьшается как с удалением от распредпункта (l), так и с увеличением угла отпирания a. Зоны действия защит, реагирующих на средневыпрямленное и мгновенное значение тока, при различных уставках приведены на рисунке 2.6 а) и б) соответственно.

Как видно из рисунка 2.7 при одном и том же уровне уставки с увеличением угла отпирания a защищаемая уставкой длина кабеля сокращается, что в итоге может привести к возникновению неотключаемого КЗ. При углах отпирания, близких 0˚-20˚ существующие МТЗ могут выявить токи КЗ при этих углах (с учетом большой длины кабеля до точки возникновения КЗ). При углах отпирания больше 20˚-30˚, а особенно при 80˚-120˚ выявление тока КЗ существующими МТЗ становится проблематичным, а особенно при большой длине кабеля до точки возникновения КЗ и большом переходном сопртивлениисопротивлении. Поэтому выявлены условия несрабатывания защит “токовая отсечка” в сетях с СТК. Появление в подземных условиях угольных шахт неотключаемого КЗ, сопровождающегося значительным перегревом кабелей и электрооборудования, открытыми дугами, может привести к возникновению пожара, повреждению кабельной сети, электрооборудования, опасно по фактору взрыва метановоздушной смеси. В связи с этим актуальна задача создания защиты, способной выявлять аварийные режимы в сетях с переменными параметрами с достаточной надежностью и быстродействием. Следовательно, актуально совершенствование МТЗ для использования их в схемах электропривода с ТРН.

Разрабатываемое устройство МТЗ применяется в замкнутой системе регулирования скорости электроприводов.

На представленной функциональной схеме (рисунок 3.1) имеются следующие элементы:

АД – асинхронный двигатель;

ДС – датчик скорости;

БС – блок согласования;

КС – кабельная сеть;

ДТ – датчик тока;

СТК – силовые тиристорные коммутаторы;

ИУЗ – исполнительное устройство защиты;

СИФУ –система импульсно-фазового управления;

ФОН – формирователь опорного напряжения;

ЗС – задатчик скорости;

БУ – блок уставок;

БЗ – блок защиты;

ВШС – внешняя шахтная сеть.

Задатчик скорости моделирует требуемую скорость привода, формируя напряжение, изменяющееся во времени в соответствии с требуемым изменением скорости. Его схема строится в зависимости от конкретных технологических особенностей эксплуатации электропривода.

На рисунке 3.2 изображена принципиальная электрическая схема МТЗ с автоматической корректировкой уставки срабатывания.

Представленные на принципиальной схеме блоки состоят из следующих элементов. Блок БС состоит из резисторов R1-R8, конденсаторов С1-С3, транзисторов VT1, VT2 и компараторов DA1, DA2. ФОН состоит из резисторов R1-R5, конденсатора С1, транзисторов VT1, VT2, компараторов DA1, DA2 и элемента “НЕ”. Блок БУ состоит из резисторов R1-R5, конденсатора С1, транзистора VT1 и компаратора DA. Блок БЗ состоит из одного компаратора DA. В ФОН сигналы U_зс и U_дс сравниваются посредством компаратора DA1. В начале пуска привода U_зс > U_дс. В результате на выходе компаратора DA1 формируется логическая "единица", а на выходе инвертора D1 – логический "ноль".

Транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывается. Этим создается возможность заряда конденсаторов С1, в результате чего напряжение на резисторе и опорное напряжение U_оп на выходе повторителя DA2 понижаются. Снижение U_оп приводит к уменьшению в СИФУ углов α фазовой задержки отпирания тиристоров СТК. В результате напряжение на выходе СТК, подаваемого на АД повышается, что приводит к повышению электромагнитного момента двигателя и увеличения частоты вращения его ротора. Одновременно с появлением сигнала на выходе повторителя DA2 блока БС, сигнал поступает на БУ, где перемножается с сигналом U_фон и затем полученная уставка поступает на БЗ. В БЗ уставка сравнивается с фактическим значением напряжения, пропорционального току в сети. В случае если фактическое значение больше уставки, БЗ дает команду на ИУЗ на отключение сети, так как превышение фактического значения над уставкой означает ненормальный режим работы сети, то есть аварию.

Практический интерес представляет рассмотрение схемного решения блока перемножения уставок БУ. Блок БУ имеет два входа с блока ФОН и с блока БС. Блок согласования представляет собой частотно-аналоговый преобразователь, в котором входной сигнал (переменного напряжения) поступает с ДС на вход компаратора DA1 посредством которого преобразуется в последовательность прямоугольных импульсов U_н той же частоты. Их передние фронты отпирают транзистор VT1 (БС), разряжая конденсатор С3(БС) до напряжения, пропорционального их длительности. В интервалах между импульсами транзисторы VT1 (БС) и VT2(БС) заперты и на конденсаторе С3(БС) удерживается напряжение, до которого он зарядился в течениитечение существования предшествующего импульса. Таким образом, выходное напряжение частотно-аналогового преобразователя пропорционального частоте входного напряжения.

Опорное напряжение U_оп с блока ФОН подается на базу транзистора VT блока БУ и транзистор при этом начинает призакрываться, так как U_оп понижается и, следовательно, сигнал с БС в большей части идет не через эмиттер-коллекторный переход транзистора VT, а через повторитель и на блок БЗ, то есть увеличивается учставка за счет снижения U_оп. (Снижение U_оп в конечном итоге приводит к повышению электромагнитного момента двигателя и увеличению частоты вращения ротора, что в последствии приводит к снижению тока в цепи двигателя). Затем, по мере нарастания скорости, напряжение с блока БС U _бс снижает уставку, подаваемую блоком БУ на блок БЗ. Таким образом обеспечивается автоматическая корректировка срабатывания разработанной МТЗ.

В ходе проведенной работы был произведен обзор способов и устройств МТЗ шахтной сети, был проведен их анализ на предмет пригодности их работы в условиях применения в шахтной сети СТК. Были выявлены зоны несрабатывания серийно выпускаемых защит, и обоснована актуальность создания МТЗ с автоматической корректировкой уставки срабатывания. Разработана функциональная схема МТЗ с включением ее в состав функциональной схемы замкнутой системы регулирования скорости. По функциональной схеме была разработана принципиальная схема МТЗ с автоматической корректировкой уставки срабатывания.

Благодаря разработанному устройству МТЗ с автоматической корректировкой уставки срабатывания исключается возможность появления в подземных условиях угольных шахт неотключаемых малых токов КЗ. Следовательно, уменьшается перегрев кабелей и электрооборудования, сокращается вероятность возникновения открытых дуг и как следствие сокращается вероятность пожаров, взрывов, повреждений кабельной сети и электрооборудования в шахте.