Биография | Реферат | Библиотека | Ссылки | Отчет о поиске | Индивидуальное задание

АВТОРЕФЕРАТ
магистерской работы по теме:
"Исследование процесса короткого замыкания в электрической сети участка шахты и разработка устройства автоматической быстродействующей защиты"

     СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Анализ объекта исследования
Обзор научных работ в области совершенствования объекта исследования
Цель и задачи исследований
Исследование процессов в объекте
     Обоснование принципиальных допущений
     Обоснование математической модели объекта исследования
     Результаты моделирования
Выводы
Перечень ссылок

     Введение

     Условия эксплуатации рудничного электрооборудования в подземных выработках шахт существенно отличаются от условий эксплуатации электрооборудования на других предприятиях.

     Эксплуатация подземных электрических установок происходит в условиях ограниченного пространства, повышенной влажности, запыленности шахтной атмосферы, агрессивного действия шахтных вод, возможности загазирования подземных выработок.

     Специфические условия эксплуатации подземных электрических установок шахт приводят к их более частым повреждениям, чем электроустановок других предприятий. Из всех видов повреждений наиболее опасными по своим последствиям являются короткие замыкания, так как они в условиях подземных выработок шахт не только вызывают повреждения рудничного оборудования, но и могут явиться причиной возникновения пожара или взрыва. Поэтому защите от токов короткого замыкания принадлежит весьма важная роль в обеспечении взрыво- и пожаробезопасности подземных электроустановок угольных шахт.

     Основной причиной возникновения коротких замыканий в подземных электрических установках являются механические воздействия. Рудничная электрическая аппаратура и электродвигатели имеют механически прочные оболочки, защищающие их активную часть от внешних воздействий. В то же время в подземных выработках шахт эксплуатируются многие километры бронируемых и гибких кабелей, оболочки которых имеют недостаточную механическую прочность. При этом наибольшую аварийность имеют гибкие кабели, прокладываемые непосредственно в забоях. При повреждениях кабелей, кроме однофазных, возможно появления междуфазных утечек, перерастающих в токи коротких замыканий. Кроме того, токи коротких замыканий могут возникнуть в результате повреждения кабеля обрушившейся породой или пачкой угля, а также перемещающимся забойным оборудованием или транспортными средствами.

     В этой работе рассмотрены вопросы, относящиеся к теории коротких замыканий, а также смоделирован процесс короткого замыкания в участковой электросети в зависимости от совокупности влияющих факторов.

     Анализ объекта исследования

     Комбинированная низковольтная электрическая сеть участка шахты представляет комплекс электромеханических установок, таких как: комбайн, конвейера, стационарные установки в их составе работают электродвигатели, которых необходимо питать электроэнергией, для этого предусматриваются системы электроснабжения, которые в совокупности с электроприводами составляют низковольтный электротехнический комплекс. Схема низковольтного электротехнического комплекса шахты представлена на (рис. 1.).

Рисунок 1 - Схема низковольтного электротехнического комплекса шахты

     Таким образом, в состав каждого электротехнического комплекса входит:

• участковая трансформаторная подстанция ТСВП, применяется для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты;
• автоматический выключатель АВ, предназначен для включения и отключения электрических цепей при номинальной нагрузке;
• совокупность пускателей ПВИ по числу электрических потребителей;
• электродвигатели потребителя ЭД;
• разветвленная кабельная сеть, соединяющая пускатели распределительного пункта с двигателями потребителя.

     В шахтной участковой сети имеет место наибольшее число повреждений по сравнению с другими участками электроснабжения шахты.

     Ограниченность пространства в горных выработках при недостаточной освещенности значительно усложняет монтаж, обслуживание и профилактический ремонт электрооборудования. Из-за несвоевременного устранения возникших неисправностей в электрическом оборудовании, а также в результате ошибочных действий обслуживающего персонала в рудничном электрическом оборудовании возникают короткие замыкания (КЗ).

     Рудничное электрическое оборудование подвергается влиянию влажной атмосферы и угольной пыли. В условиях эксплуатации угольная пыль и влага оседает на поверхности электроизоляционных деталей электрического оборудования, в результате чего появляются токи утечки, которые при определенных условиях перерастают в токи короткого замыкания. При периодических нагреве и охлаждении рудничного электрического оборудования может образовываться роса, которая также будет создавать условия для возникновения КЗ. В результате проведенных наблюдений установлено, что отказы автоматических выключателей АВ из-за нарушения изоляции между фазами составляют 17,6% от общего числа отказов [1].

     При КЗ могут возникать разные небезопасные последствия [2]:

• недопустимое нагревание электрооборудования и его термическое повреждение из-за значительного роста токов (в 10…15 раз и более);
• возникновение больших механических усилий между токоведущими частями, которые приводят к их повреждению или разрушению;
• снижение напряжения и искажение ее фазной симметрии, что негативно влияет на работу потребителей энергии. Так, при снижении напряжения на 30…40% в течение не менее секунды начинается процесс торможения электродвигателей, вследствие чего возможны нарушения технологического цикла на шахтах;
• наведение при несимметричных КЗ в соседних линиях связи и сигнализации ЭДС, небезопасных для обслуживающего перcонала и аппаратуры;
• нарушение устойчивости работы отдельных элементов и режима систем электропотребления в целом, что приводит к аварийным ситуациям с отключением значительного количества потребителей электрической энергии;
• воспламенение электроустановок.

     Наиболее опасные последствия оказываются обычно в силовых элементах, которые примыкают к месту возникновения КЗ. Если КЗ на значительном электрическом расстоянии от источника питания, то увеличение тока воспринимается генераторами как некоторое повышение нагрузки. Существенное снижение напряжения происходит лишь возле места трехфазного КЗ.

     Чтобы обеспечить бесперебойное электроснабжение всех потребителей, необходимо проектировать и сооружать системы электроснабжения с учетом возможных КЗ, сурово следуя правилам эксплуатации электроустановок, беспрерывно повышая технической уровень и качество изготовления электрооборудования. У систем электропотребления для выявления опасных последствий от КЗ и обеспечения стойкости режима работы нагрузки вводят быстродействующие релейные защиты важных элементов, применяют специальные схемы автоматического включения резерва источников питания, предусматривают распределение во времени процессов самозапуска разных групп двигателей, устанавливают регулировочные устройства возбуждения синхронных машин.

     Внедрение угледобывающих комплексов с механизированными крепями, применение в подземных электрических сетях аппаратуры защитного отключения и экранированных кабелей, использование в рудничном электрическом оборудовании электроизоляционных материалов с высокими физико-механическими свойствами привели к уменьшению токов утечек в рудничном электрическом оборудовании и к снижению числа КЗ в шахтных участковых сетях.

     Наблюдения показали, что в участковой сети КЗ на присоединениях, отходящих от распределительного пункта участка, возникают в среднем один раз в месяц, а КЗ в цепи магистрали – один раз в 1,5 года [3].

     Короткие замыкания в условиях подземных выработок шахт могут являться причиной пожара или взрыва. Подземные пожары, помимо приносимого материального ущерба, представляют большую опасность для людей, находящихся как вблизи, так и на значительном расстоянии. В ряде случаев рудничные пожары могут явиться причиной воспламенения метана и угольной пыли.

     В общем случае возникающие при КЗ аварийные токи зависят от параметров генерирующих источников питания, конфигурации электросети и параметров входящих в нее элементов, вида КЗ и сопротивления короткозамкнутой цепи, фазы ЭДС в момент возникновения КЗ, наличия или отсутствия присоединительной нагрузки.

     При возникновении КЗ общее электрическое сопротивление цепи системы подземного электроснабжения уменьшается, что вызывает увеличение токов сети. При этом с момента возникновения КЗ до момента отключения поврежденного участка в сети существует переходный процесс. Характер протекания тока КЗ в сети в значительной степени зависит от мощности питающей системы и сопротивления короткозамкнутой цепи.

     Мощность отдельно установленных в шахтных участковых сетях трансформаторов значительно меньше суммарной мощности генераторов питающей системы. Поэтому возникающие при КЗ в подземных электрических сетях аварийные токи практически не оказывают влияния на токи генераторов системы.

     В таких случаях питающую систему можно считать источником с неизменной ЭДС, а характер переходного процесса при КЗ в участковой сети изображен на рис. 2.

Рисунок 2 – Кривая изменения тока к.з. в шахтной участковой сети

     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_к достигает своего максимального значения i_у - ударного тока.

     Мгновенное значение полного тока КЗ может быть определено из выражения [4]:

,

(1)

     где I_кm - амплитудное значение периодической составляющей тока КЗ;
ω - угловая частота;
α - фаза включения при t=0;

- угол сдвига тока КЗ;

R_к, X_к - соответственно активное и индуктивное сопротивление короткозамкнутой цепи;

- постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ.

     Наибольшее мгновенное значение полного тока КЗ i_у можно определить [4]:

,

(2)

     где:

,

(3)

     В формулах (2) и (3) К_у - ударный коэффициент; t_к - время наступления максимума тока КЗ.

     В практических расчетах ударный коэффициент К_у определяется из выражения:

(4)

     При расчетах ударного коэффициента по формуле (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 через 0,01с 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 0,01с.

     На основе проведенных теоретических исследований [4] получены нижеприведенные расчетные формулы для определения времени t_к наступления максимума мгновенного значения полного тока к.з. i_у и, исходя из этого времени, ударного коэффициента К_у:

(5)

(6)

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

     На рис. 3 приведены рассчитанные по формулам (6) и (7) [5] зависимости ударного коэффициента К_у и времени наступления максимума мгновенного значения полного тока КЗ t_к от тангенса угла сдвига тока tgφ_к в короткозамкнутой цепи. При КЗ в шахтной участковой сети время наступления максимума мгновенного значения полного тока КЗ меньше 0,01сек. Что же касается ударного коэффициента, то на его величину существенное влияние оказывает угол сдвига тока в короткозамкнутой цепи.

Рисунок 3 - Зависимости ударного коэффициента К_у и времени наступления максимума мгновенного значения полного тока к.з. t_к от тангенса угла сдвига тока tgφ_к в короткозамкнутой цепи: 1 - t_к; 2 - К_у

     Обзор научных работ в области совершенствования объекта исследования

     Условия эксплуатации электрического оборудования в подземных выработках шахт определяют специальные требования к построению системы защиты участковых сетей от токов КЗ.

     Схемы и конструкции защитной аппаратуры должны выполняться с учетом:

• внешней окружающей среды, в которой эксплуатируются аппаратура;
• особенностей участковых электрических сетей;
• режимов работы электрического оборудования на участке и др.

     Для защиты подземных электрических установок от токов КЗ в комплектные распределительные устройства, в РУНН трансформаторные подстанции, рудничные автоматические выключатели, станции управления и магнитные пускатели должны встраиваться средства максимальной токовой защиты.

     Одна из задач максимальной токовой защиты заключается в том, чтобы предотвратить опасное действие токов КЗ, протекающих через неповрежденные элементы подземных электрических установок. В условиях подземных выработок шахт зашита от токов КЗ приобретает особое значение в качестве средства обеспечения взрыво- и пожаробезопасности электрического оборудования.

     При возникновении дугового КЗ взрывозащита рудничного электрического оборудования может быть обеспечена только при условии применения взрывобезопасной оболочки со специальной конструкцией взрывозащитных соединений в сочетании с максимальной токовой защитой. Пожаробезопасность кабельных линий может быть достигнута использованием негорючих экранированных гибких и бронированных кабелей с защитой их при помощи максимальной токовой защиты, в сочетании с защитой от утечек.

     Таким образом, наряду с функцией эксплуатационной защиты задачей максимальной токовой защиты является обеспечение в сочетании с другими средствами защиты взрыво- и пожаробезопасности электрического оборудования при возникновении междуфазных КЗ в шахтной участковой сети.

     Наиболее часто используемые на шахтах токовые защиты это: максимальные токовые защиты УМЗ и ПМЗ; автоматический выключатель АБВ-250; быстродействующая защита БМЗ.

      Рассмотрим автоматический выключатель АБВ-250 [5], он предназначен для проведения тока в нормальном режиме и отключения тока при КЗ и замыкания на землю, для оперативных отключений электрических цепей в очистных и подготовительных выработках на крутых пластах угольных шахт, опасных по внезапным выбросам угля, породы и газа, при системе электроснабжения с автоматическим защитным (опережающим) отключением. Выключатель обеспечивает следующие виды управления, защиты, блокирования, сигнализации и проверки:

• ручное временное отключение, а также дистанционное отключение с помощью кнопочного поста;
• быстродействующую защиту электрической сети от междуфазных замыканий, связанных с землей, и от однофазного замыкания на землю, а также проверку исправности защиты и сигнализацию о ее срабатывании;
• защиту от утечек тока на землю с помощью реле утечки, проверку его исправности и сигнализацию о срабатывании;
• нулевую защиту;
• блокирование, препятствующее включению выключателя при снижении R_из относительно земли отходящего участка сети ниже 30 кОм с помощью БРУ, проверку его исправности и сигнализацию о срабатывании;
• блокирование, препятствующее включению выключателя и обеспечивающее отключение его при обрыве, замыкание и увеличение сопротивления цепи дистанционного отключения свыше 40 Ом;
• блокирование, препятствующее включению выключателя и обеспечивающее отключение его при не достижении или снижении уровня напряжения на батарее конденсаторов с помощью устройства контроля напряжения, а также сигнализацию о недостаточном уровне напряжения на батарее конденсаторов;
• блокирование, препятствующее включению выключателя после срабатывания быстродействующей защиты;
• подачу включающего сигнала на моторные короткозамыкатели в количестве до 10 при срабатывании быстродействующей защиты;
• замыкание при помощи короткозамыкателей основных жил отходящего кабеля при срабатывании быстродействующей защиты.

     Цель и задачи исследований

     Расчет электромагнитных переходных процессов в системах электропотребления при коротких замыканиях, как наиболее характерных возбуждениях, имеет важное значение для проектирования и эксплуатации. Такой расчет предусматривает нахождение значений напряжений, тока и других параметров режима КЗ в точке возникновения КЗ или в других точках систем электроснабжения (СЭС) или ветках сети при заданных условиях.

     Расчеты режима КЗ необходимые для решения таких задач:

• выявление условий работы потребителей энергии при возможных КЗ и допустимости того или другого режима;
• выбор и проверка электрооборудования при условиях КЗ;
• проектирование и отладка средств релейной защиты и системной автоматики, выбор предупредительных устройств автоматических коммутационных аппаратов;
• сопоставление, оценка и выбор схем электрических соединений СЭС;
• координация и оптимизация значений токов и мощности КЗ;
• оценка стойкости режима СЭС и ее узлов нагрузки;
• проектирование заземляющих устройств;
• определение влияния токов КЗ на линии связи;
• выбор разрядников для защиты электроустановок от перенапряжения;
• анализ аварий в электроустановках;
• проведение разных испытаний в СЭС.

     Исследование процессов в объекте
     Обоснование принципиальных допущений

     Производя исследования модели электрической цепи участка шахты, предполагаем, что: на параметры питающего напряжения никаких внешних воздействий не осуществляется; сеть в течение периода эксплуатации не претерпевает изменений; геологических воздействий на оборудование и кабельные линии нет; асинхронный двигатель не отдает реактивную энергию в сеть; параметры кабеля, с учетом воздействий при эксплуатации, не меняются; кабельные муфты, увеличивающие сопротивление, отсутствуют и др.

     При расчете модели электрической цепи мы заведомо пренебрегаем значениями активных и реактивных сопротивлений автоматического выключателя, пускателя, полагая, что эти значения являются незначительными и не оказывают существенного влияния на результаты расчетов и результаты моделирования.

     Введенные упрощения позволяют повысить наглядность модели, а также значительно ее упростить. При этом исключенные значения составляют столь малую долю при расчетах, что их исключение не снижают адекватности модели.

     Обоснование математической модели объекта исследования

     Электрическая сеть участка шахты – это часть структуры сложнейшего комплекса угольной шахты в целом, состоящей как из поверхностных потребителей, так и из подземных потребителей электрической энергии.

     Электрическая сеть участка шахты включает в себя питающую трансформаторную подстанцию ТСВП, разветвленную кабельную сеть, автоматические выключатели АВ, пускатели ПВИ по числу потребителей, тиристорный коммутатор в цепи электродвигателя, электродвигатели.

     На рис. 4 представлена упрощенная схема электросети участка шахты.

Рисунок 4 - Упрощенная схема электрической сети участка шахты

     Для исследований выберем участок, состоящий из трансформаторной подстанции ТСВП, автоматического выключателя АВ, одного пускателя ПВИ, тиристорного коммутатора и асинхронного электродвигателя шахтной машины АД.

     Преобразуем показанную выше схему, представив в виде совокупности структурных блоков, представляющих активное и реактивное сопротивления. На рис. 5 представлена структурная схема электрической сети участка шахты.

Рисунок 5 – Упрощенная структурная схема электрической сети участка шахты

     На процессы, происходящие в сети, при коротком замыкании оказывают влияние следующие факторы:

• линейное напряжение трансформаторной подстанции;
• активно-индуктивное параметры сети, включая трансформатор, кабели и двигатель;
• исключение части активно-индуктивных параметров;
• реальные величины напряжения на выходе тиристорного коммутатора на основе угла отпирания тиристоров.

     Упрощенная расчетная схема представлена на рис 6.

Рисунок 6 - Упрощенная расчетная схема электрической сети участка шахты

     Учитывая принятые допущения составим уравнения математической модели, пользуясь II законом Кирхгофа:

     для 1-го контура:

-E_A + E_B = i₁ ∙ R_ΣB + i₁ ∙ R_ΣA + i₂ ∙ R_ΣB + L_ΣA ∙ (di₁/dt) + L_ΣB ∙ (di₁/dt) + L_ΣB ∙ (di₂/dt);

     для 2-го контура:

E_B - E_C = i₂ ∙ R_ΣB + i₂ ∙ R_ΣC + i₁ ∙ R_ΣB + L_ΣB ∙ (di₁/dt) + L_ΣC ∙ (di₂/dt) + L_ΣB ∙ (di₂/dt);

     Пусть:

     1. L_ΣA = L_1A + L_2A + L_3A + L_EA;
         L_ΣB = L_1B + L_2B + L_3B + L_EB;
         L_ΣC = L_1C + L_2C + L_3C + L_EC;

     2. R_ΣA = R_1A + R_2A + R_3A + R_EA;
         R_ΣB = R_1B + R_2B + R_3B + R_EB;
         R_ΣC = R_1C + R_2C + R_3C + R_EC;

     3. Примем L_ΣA = L_ΣB = L_ΣC
         R_ΣA = R_ΣB = R_ΣC

     Тогда L_Σ = L_ΣA = L_ΣB = L_ΣC

     Фазные токи равны:

i_A = - i₁;
i_B = i₁ + i₂;
i_C = - i₃.

     Результаты моделирования

     В результате моделирования были получены графики зависимости изменения во времени фазных токов I_А, I_В, I_С при трехфазном КЗ (рис. 7-9).

Рисунок 7 - График зависимости во времени тока фазы А

Рисунок 8 - График зависимости во времени тока фазы B

Рисунок 8 - График зависимости во времени тока фазы C

     Сумма фазных токов равна нулю. Проверка:

Рисунок 10 – График зависимости во времени суммы фазных токов А, В, С

     Выводы

     В данной работе было выполнено:

• рассмотрены защиты шахтных участковых сетей от токов короткого замыкания;
• продемонстрирован процесс короткого замыкания с помощью вычислительного пакета MathCAD;
• определены значимые факторы воздействия на величину токов короткого замыкания;
• введены рациональные допущения;
• Составлена расчетная схема, математическая модель, схема компьютерной модели, что позволило произвести соответствующее исследование и получить соответствующие данные о процессе короткого замыкания.

     Таким образом в результате математического моделирования получен переходный процесс возникновения короткого замыкания в электрической сети, который сопровождается периодической и апериодической составляющими токов замыкания.

     Установлено, что апериодические составляющие изменяются экспоненциально и деформируют общую кривую тока, при этом сумма мгновенных значений апериодических составляющих токов короткого замыкания трех фаз равно нулю.

     Разработанная математическая модель может быть использована для более детального изучения процесса короткого замыкания на шахтах и создания защит с учетом всех воздействующих факторов.

     Перечень ссылок

1. Риман Я.С. Защита шахтных участковых сетей от токов короткого замыкания. – М., Недра,1985г.,88 стр.
2. Півняк Г.Г., Винославський В.М., Рибалко А.Я., Несен Л.І. Перехідні процеси в системах електропостачання. – Дніпропетровьк: Національний гірничий університет, 2002.-597с.
3. Риман .Я .С. Защита подземных электрических установок угольных шахт. –М.: Недра,1977г.- 206 стр.
4. Красильников Н.Т., Риман Я.С. Ударный ток при коротком замыкании в шахтных участковых сетях. Взрывозащищенное электрооборудование. Сб.науч.трудов. М.: Надра, 1976, с.109-111.
5. Ванеев Б.Н. Справочник энергетика угольной шахты. – Д.:Юго-Восток, 2001г.-1028с.

ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ