Библиотека - Статья 2

Савицкий А.В.

Тема выпускной магистерской работы:
Создание тиристорного частотного преобразователя
на IGBT-модулях вынесенной подачи угольного очистного комбайна

В последнее время на шахтах Украины проводится широкомасштабное внедрение новых высокопроизводительных механизированных комплексов на базе комбайнов УКД-300, КДК-500 и КДК-700, питающихся напряжением 1140В. Применение такой техники потребовало решения целого ряда сложных технических задач по созданию нового электрооборудования - станций управления двухскоростными электродвигателями конвейеров и ряда двухскоростных электродвигателей, новых реверсивных пускателей и аппаратуры автоматизации, а также взрывозащищенных полупроводниковых преобразователей частоты для регулируемой подачи комбайнов.

Указанные задачи практически решены и внедрены в производство, однако выяснилось, что при этом упущены основные вопросы электробезопасности эксплуатации такого оборудования, при которых возможно возникновение аварийных ситуаций в распределительной сети, когда реле утечки не может обеспечить защиту от поражения людей электрическим током. Обусловлено это целым рядом причин, которые требуют проведения детальных исследований и разработки технических мероприятий и средств по их устранению.

Как известно в Украине и странах СНГ в настоящее время применяются аппараты защиты от утечек тока на землю типа АЗУР-1 и АЗУР-4 в распределительных сетях напряжением 66о и 1140 В соответственно. Принцип действия, положенный в основу работы указанных аппаратов, заключается в наложении на сеть оперативного постоянного тока и контроле его величины при одновременной компенсации емкостной составляющей тока утечки. Поэтому указанные аппараты предназначены только для защиты трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью, требования к которым изложены в ГОСТ 22979-78 "Аппараты рудничные защиты от утечек тока на землю в распределительных сетях напряжением до 1200 В". Указанный ГОСТ не распространяется на распределительные сети, содержащие звенья постоянного тока, так называемые, комбинированные сети, а следовательно и применение аппаратов серии АЗУР в таких сетях неправомочно. Это было известно еще в 80-х годах прошлого века, когда предпринимались попытки внедрения в шахты комбайнов с регулируемой подачей на постоянном токе [1] и тогда было принято решение о создании специальных средств защиты от утечек тока на землю.

Обусловлено это тем, что при возникновении утечки или при плавном снижении сопротивления изоляции в звене постоянного тока между сетью и землей возникает второй источник постоянного напряжения, величина которого может оказаться значительно выше источника оперативного тока аппарата защиты, как это показано на рисунке 1.

При этом ток Iу превышает ток Iоп и блокирует измерительный орган реле утечки, причем это может проявляться в работе длительное время, а возникшая утечка в сети не будет выявлена и отключена аппаратом защиты.

Рисунок 1 – Схема включения аппарата защиты от утечек тока на землю
в сети, содержащей звено постоянного тока,

где ФП - фильтр присоединения к сети реле утечки,
Iоп - оперативный ток аппарата защиты,
Iу - ток утечки в звене постоянного тока,
Rу - сопротивление утечки в распределительной сети.
УВПФ - устройство выбора и шунтирования поврежденной фазы.

Значительно более тяжелые последствия возникают в распределительных сетях напряжением 1140В, где в целях ограничения количества электричества до значения не более 50мА·с применяются устройства выбора поврежденной фазы и шунтирование ее через малое сопротивление на землю. Применение данного способа в комбинированных сетях невозможно из-за наличия звена постоянного тока в преобразователе частоты. В то же время, по совпадающим признакам, в начальный момент возникновения утечки устройство выбора поврежденной фазы определяет одну из фаз и дает команду на ее шунтирование. Это приводит к тому, что протекающий через шунтирующий резистор ток будет подпитывать место аварии и тем самым усугубит степень тяжести аварии.

Эти выводы подтверждаются проведенными испытаниями в реальной сети, питание которой осуществлялось от трансформаторной подстанции КТПВ - 630/6-1.2,содержащей кабели типа КГЭБУШВ 3х50+3х35 и преобразователь частоты «Dinovert» фирмы Bartec (Германия). Защита сети осуществлялась при помощи реле утечки АЗУР-4.

Результаты испытаний приведены в таблице 1, из которой видно, что кратковременный ток существенно превышает допустимое значение даже при малых емкостях сети.

Таблица 1. Результаты испытаний.

С сети, мкФ на фазу, до преобра- зователя	С сети, мкФ на фазу, после пре- образователя	Кратковременный ток утечки, мА, при частоте преобразователя Гц
		0	20	50
0,1	0	85	65	55
0,2	0	75	70	65
0,1	0,1	450	330	300
0,2	0,1	370	260	200
0	0,2	800	570	320
0,1	0,2	620	440	300
0,2	0,2	510	380	300

Несмотря на это в шахтах Украины уже работает около 10 забоев, питание которых обеспечивается комбинированными сетями, а защиты осуществляются аппаратами серии АЗУР. Типовая схема электроснабжения таких забоев приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Типовая схема электроснабжения угольного комбайна с регулируемой подачей и вспомогательных механизмов,

где КТПВ - трансформаторная подстанция мощностью 1000 или 630 кВА,
РУ - реле утечки,
АВ - автоматический выключатель,
ПВ1-ПВ3 - пускатели,
ПЧ1, ПЧ2 - полупроводниковый преобразователь частоты вынесенной
подачи комбайна или встроенный в электроблок,
ЭДР1, ЭДР2 - электродвигатели резания,
ЭДП1, ЭДП2 - электродвигатели подачи комбайна,
С1, С2, С3 - емкость соответствующих участков сети.

Одной из особенностей таких схем является применение новых шестижильных кабелей типа КГЭБУШВ, которые обладают значительно большей емкостью фазы по отношению к земле, по сравнению с обычными кабелями, сравнение которых приведено в таблице 2.

Таблица 2. Типы кабелей, применяемых в сетях.

Тип кабеля	Емкость фазы, мкФ
КГЭБУШВ 3х50+3х35	0,48
КГЭШ 3х50	0,21

Из приведенной таблицы следует, что кабели типа КГЭБУШВ обладают значительно большей емкостью, что необходимо обязательно учитывать при проектировании схем электроснабжения.

Исходя из вышеизложенного следует, что новые механизированные комплексы могут эксплуатироваться в шахтах до освоения специальных аппаратов защиты при выполнении ряда требований и ограничений, основные из которых следующие:

Эти и ряд других мероприятий и ограничений позволят временно эксплуатировать электрооборудование с серийно выпускаемыми реле утечки до разработки новых аппаратов. Причем, разработка и освоение производства новых аппаратов должна быть проведена в возможно короткий срок, так как в последнее время случаи поражения людей электрическим током в основном происходят по причине ошибочных действий и низкой квалификации обслуживающего персонала [2].

Перечисленные выше факторы, приводящие к отказам работы аппаратов защиты, являются не единственными в комбинированных сетях. Проведенные исследования в реальной распределительной сети напряжением 1140 В с преобразователями частоты, вынесенной подачи комбайна фирм "Dinovert" (Германия) и "Элмис" (Киев) показывают, что при возникновении утечки в комбинированной сети переходные процессы тока утечки существенно усложняются за счет наложения высокочастотных составляющих, генерируемых преобразователями частоты. Характерные осциллограммы тока утечки в разных режимах приведены на рисунке 3.

а)	б)
в)	г)

Рисунок 3 – Характерные осциллограммы тока утечки в распределительной
сети напряжением 1140 В при частоте преобразователя
а) f = 0 Гц (C = 0,2 C = 0,2); б) f = 20 Гц (С = 0,5; C = 0,2);
в) f = 50 Гц (С = 0,7 С = 0,2); г) f = 70 Гц C = 0,2; C = 0,2).

Анализ приведенных осциллограмм показывает, что ток утечки состоит преимущественно из высокочастотной составляющей, обусловленной работой широтно-импульсного регулятора и низкочастотной составляющей, соответствующей рабочей частоте преобразователя.

С увеличением частоты преобразователя высокочастотная составляющая в токе утечки снижается, однако ток при этом не является синусоидальным.

Характерной особенностью является то, что при отключении источника питания, через утечку продолжает протекать ток э.д.с. выбега двигателя и ток системы рекуперации электроэнергии преобразователя частоты (Рис 3г).

Высокочастотная составляющая за счет снижения емкостного сопротивления сети многократно увеличивает значение тока утечки. В то же время следует отметить, что сигналы основной гармоники и высокочастотной составляющей являются аддитивными и суммируются в процессе протекания.

Исследования показали, что наиболее неблагоприятный режим с точки зрения безопасности, является режим при котором на стороне возникновения утечки, емкость кабельной линии минимальна или равна нулю при наличии емкости на противоположной стороне. При этом преобразователь участвует в контуре нулевой последовательности как генератор.

Приведенные исследования являются исходными для разработки аппаратов защиты от утечек в комбинированных сетях. При их проектировании необходимо учитывать амплитудно-частотные характеристики тока утечки, их длительность и вероятные варианты их возникновения в сети.

Одним из основных направлений обеспечения безопасности комбинированных сетей является повышение быстродействия аппарата с учетом того, что аппарат защиты будет одновременно воздействовать на автомат передвижной подстанции, работу преобразователя частоты и отключать кабельную линию отходящую от преобразователя частоты при вынесенном варианте включения.

Данная структура взаимодействия аппарата защиты с остальными составляющими элементами распределительной сети, содержащей силовые полупроводниковые приборы, позволит обеспечить требуемую безопасность при ее эксплуатации. Одним из методов снижения токов утечек и уровня высокочастотных помех в силовых сетях содержащих преобразователи частоты является установка полюсовых заградительных фильтров, настроенных на частоту работы ШИМ-регулятора.

Обеспечение требуемого уровня безопасности комбинированных сетей возможно только при комплексном подходе к данной проблеме. Поэтому при дальнейших разработках как частотных преобразователей и аппаратуры управления ими так и аппаратов защиты комбинированных сетей необходимо учитывать возможность взаимодействия и взаимного влияния всех составляющих элементов системы.

1. Колосюк В.П. Защитное отключение рудничных электроустановок. М., Недра, 1980 г., 334 с.

2. Корнеева А.Н. Состояние электротравматизма на угольных предприятиях Украины и пути его снижения. «Уголь Украины», №4, 2003 г. с.34-37