Біографія | Реферат | Бібліотека | Посилання | Звіт про пошук | Індівідуальне завдання

АВТОРЕФЕРАТ
магістерської роботи з теми:
"Дослідження процесу короткого замикання в електричній мережі ділянки шахти й розробка пристрою автоматичного швидкодіючого захисту"

     ЗМІСТ
Вступ
Аналіз об'єкта дослідження
Огляд наукових праць в області вдосконалювання об'єкта дослідження
Мета й завдання досліджень
Дослідження процесів в об'єкті
     Обґрунтування принципових допущень
     Обґрунтування математичної моделі об'єкта дослідження
     Результати моделювання
Висновки
Перелік посилань

     Вступ

     Умови експлуатації рудничного електрообладнання в підземних виробітках шахт істотно відрізняються від умов експлуатації електрообладнання на інших підприємствах.

     Експлуатація підземних електричних установок відбувається в умовах обмеженого простору, підвищеної вологості, запиленості шахтної атмосфери, агресивної дії шахтних вод, можливості за газування підземних виробітків.

     Специфічні умови експлуатації підземних електричних установок шахт призводять до їх більш частих ушкоджень, ніж електроустановок інших підприємств. Із всіх видів ушкоджень найнебезпечнішими по своїм наслідкам є короткі замикання, тому що вони в умовах підземних виробітків шахт не тільки викликають ушкодження рудничного обладнання, але й можуть бути причиною виникнення пожежі або вибуху. Тому, захисту від струмів короткого замикання належить досить важлива роль у забезпеченні вибухо- і пожежобезпеки підземних електроустановок вугільних шахт.

     Основною причиною виникнення коротких замикань у підземних електричних установках є механічні впливи. Руднична електрична апаратура й електродвигуни мають механічно міцні оболонки, що захищають їхню активну частину від зовнішніх впливів. У той час в підземних виробітках шахт експлуатуються багато кілометрів броньованих і гнучких кабелів, оболонки яких мають недостатню механічну міцність. При цьому найбільшу аварійність мають гнучкі кабелі, що прокладаються безпосередньо у вибоях. При ушкодженнях кабелів, крім однофазних, можлива поява міжфазних витоків, що переростають у струми к. з. Крім того, к. з. може виникнути в результаті ушкодження кабелю породою, що обрушилася, або пачкою вугілля, або забійним обладнанням, що також пересувається, або транспортними засобами.

     У цій роботі розглянуті питання, що ставляться до теорії коротких замикань, а також змодельований процес короткого замикання в дільничній електромережі залежно від сукупності факторів, що впливають.

     Аналіз об'єкта дослідження

     Комбінована низьковольтна електрична мережа ділянки шахти, представляє собою, комплекс електромеханічних установок, таких як: комбайн, конвеєра, стаціонарні установки в їхньому составі працюють електродвигуни, яких необхідно живити електроенергією. Для цього передбачаються системи електропостачання, які в сукупності з електроприводами становлять низьковольтний електротехнічний комплекс. Схема низьковольтного електротехнічного комплексу шахти представлена на рис. 1.

Рисунок 1 - Схема низьковольтного електротехнічного комплексу шахти

     Таким чином, до складу кожного електротехнічного комплексу входить:

• дільнична трансформаторна підстанція ТСВП, вона застосовується для перетворення змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги тієї ж частоти;
• автоматичний вимикач АВ, призначений для включення й відключення електричних кіл при номінальному навантаженні;
• сукупність пускачів ПВИ по числу електричних споживачів;
• електродвигуни споживача ЕД;
• розгалужена кабельна мережа, що з'єднує пускачі розподільного пункту із двигунами споживача.

     У шахтній дільничній мережі має місце найбільше число ушкоджень у порівнянні з іншими ділянками електропостачання шахти.

     Обмеженість простору в гірських виробітках при недостатній освітленості значно ускладнює монтаж, обслуговування й профілактичний ремонт електрообладнання. Через несвоєчасне усунення виниклих несправностей в електричному обладнанні, а також у результаті помилкових дій обслуговуючого персоналу в рудничному електричному устаткуванні виникають короткі замикання (КЗ).

     Рудничне електричне обладнання підпадає під вплив вологої атмосфери й вугільного пилу. В умовах експлуатації вугільний пил і волога осідає на поверхні електроізоляційних деталей електричного обладнання, у результаті чого з'являються струми витоку, які за певних умов переростають у струми короткого замикання. При періодичних нагріванні й охолодженні рудничного електричного обладнання може утворюватися роса, що також буде створювати умови для виникнення КЗ. У результаті проведених спостережень установлено, що відмови автоматичних вимикачів АВ через порушення ізоляції між фазами становлять 17,6% від загального числа відмов [1].

     При КЗ можуть виникати різні небезпечні наслідки [2]:

• неприпустиме нагрівання електрообладнання і його термічне ушкодження через значне зростання струму (в 10...15 разів і більше);
• виникнення значних механічних зусиль між струмоведучими частинами, які призводять до їхнього ушкодження або руйнування;
• зниження напруги й перекручування її фазної симетрії, що негативно впливає на роботу споживачів енергії. Так, при зниженні напруги на 30...40% протягом однієї секунди починається процес гальмування електродвигунів у наслідок чого можливі порушення технологічного циклу на шахтах;
• наведення при несиметричних КЗ у сусідніх лініях зв'язку й сигналізації ЕРС, небезпечних для обслуговуючого персоналу й апаратури;
• порушення стійкості роботи окремих елементів і режиму систем електроспоживання в цілому, що призводить до аварійних ситуацій з відключенням значної кількості споживачів електричної енергії;
• запалення електроустановок.

     Найнебезпечніші наслідки виявляються звичайно в силових елементах, які примикають до місця виникнення КЗ. Якщо КЗ на значній електричній відстані від джерела живлення, то збільшення струму сприймається генераторами як деяке підвищення навантаження. Істотне зниження напруги відбувається лише біля місця трифазного КЗ.

     Щоб забезпечити безперебійне електропостачання всіх споживачів, необхідно проектувати й споруджувати системи електропостачання з обліком можливих КЗ, суворо дотримуючись правил експлуатації електроустановок, безперервно підвищуючи технічний рівень і якість виготовлення електрообладнання. У системи електроспоживання для виявлення небезпечних наслідків від КЗ і забезпечення стійкості режиму роботи навантаження вводять швидкодіючі релейні захисти важливих елементів, застосовують спеціальні схеми автоматичного включення резерву джерел живлення, передбачають розподіл у часі процесів самозапуску різних груп двигунів, установлюють регулювальні пристрої збудження синхронних машин.

     Впровадження вуглевидобувних комплексів з механізованими кріпленнями, застосування в підземних електричних мережах апаратури захисного відключення й екранованих кабелів, використання в рудничному електричному обладнанні електроізоляційних матеріалів з високими фізико-механічними властивостями зумовили зменшення струмів витоків у рудничному електричному встаткуванні й зниження числа КЗ у шахтних дільничних мережах.

     Спостереження показали, що в дільничній мережі КЗ на приєднаннях, що відходять від розподільного пункту ділянки, виникають у середньому один раз на місяць, а КЗ у ланцюзі магістралі - один раз в 1,5 року [3].

     Короткі замикання в умовах підземних виробітків шахт можуть бути причиною пожежі або вибуху. Підземні пожежі, крім матеріального збитку, становлять більшу небезпеку для людей, що перебувають як поблизу, так і на значній відстані. У ряді випадків рудничні пожежі можуть з'явитися причиною запалення метану й вугільного пилу.

     У загальному випадку аварійні струми, які виникають при КЗ, залежать від параметрів генеруючих джерел живлення, конфігурації електромережі й параметрів вхідних у неї елементів, виду КЗ і опору короткозамкненого ланцюга, фази ЕРС у момент виникнення КЗ, наявності або відсутності приєднувального навантаження.

     При виникненні КЗ загальний електричний опір ланцюга системи підземного електропостачання зменшується, що викликає збільшення струмів мережі. При цьому з моменту виникнення КЗ до моменту відключення ушкодженої ділянки в мережі існує перехідний процес. Характер протікання струму КЗ у мережі в значній мірі залежить від потужності живильної системи й опору короткозамкненого ланцюга.

     Потужність окремо встановлених у шахтних дільничних мережах трансформаторів значно менше сумарної потужності генераторів живильної системи. Тому, аварійні струми, що виникають при КЗ у підземних електричних мережах, практично не впливають на струми генераторів системи.

     У таких випадках живильну систему можна вважати джерелом з незмінною ЕРС, а характер перехідного процесу при КЗ у дільничній мережі зображений на рис.2.

Рисунок 2 - Крива зміни струму к.з. у шахтній дільничній мережі

     Миттєве значення повного струму КЗ i_к у будь-який момент часу його протікання складається із двох складових: періодичної i_п й аперіодичної i_а. Періодична складова i_п являє собою синусоїду промислової частоти 50 Гц із незатухаючими у часі амплітудами. Аперіодична складова i_а являє собою струм одного напрямку, що швидко загасає у часі. Початкове значення аперіодичної складової струму КЗ I_а0 протилежно за знаком і практично мало відрізняється (на величину навантаження попереднього режиму) від початкового значення періодичної складової I_п0. У початковий період протікання перехідного процесу крива повного струму КЗ i_к зрушена щодо осі часу, причому в перший напівперіод i_к досягає свого максимального значення i_у - ударного струму.

     Миттєве значення повного струму КЗ може бути визначене з вираження [4]:

,

(1)

     где I_кm - амплітудне значення періодичної складової струму КЗ;
ω - кутова частота;
α - фаза включення при t=0;

- кут зрушення струму КЗ;

R_к, X_к - відповідно активний і індуктивний опір короткозамкненого ланцюга;

- постійна часу загасання аперіодичної складової струму КЗ.

     Найбільше миттєве значення повного струму КЗ i_у можна визначити [4]:

,

(2)

     де:

,

(3)

     У формулах (2) і (3) К_у - ударний коефіцієнт; t_к - час настання максимуму струму КЗ.

     У практичних розрахунках ударний коефіцієнт К_у визначається з вираження:

(4)

     При розрахунках ударного коефіцієнта по формулі (4) приймають, що струм попереднього режиму відсутній, а в момент КЗ аперіодична складова аварійного струму має найбільше значення. При цьому вважається, що максимум аварійного струму наступає через 0,01с після виникнення КЗ.

     Але максимальне значення аперіодичної складової струму КЗ ще не визначає максимальне значення ударного коефіцієнта. Максимум ударного струму в багатьох випадках може наступити при часі, відмінному від 0,01 с.

     На основі проведених теоретичних досліджень [4] отримані нижчеподані розрахункові формули для визначення часу t_к настання максимуму миттєвого значення повного струму к.з. i_у та, виходячи із цього часу, ударного коефіцієнта К_у:

(5)

(6)

     де - час настання першого позитивного максимуму періодичній складовій струму КЗ, с.

     На рис. 3 наведені розраховані по формулах (6) і (7) [6] залежності ударного коефіцієнта К_у й часу настання максимуму миттєвого значення повного струму КЗ t_к від тангенса кута зрушення струму tgφ_к в короткозамкненому ланцюзі. При КЗ у шахтній дільничній мережі час настання максимуму миттєвого значення повного струму КЗ менше 0,01сек. Що ж стосується ударного коефіцієнта, то на його величину істотний вплив робить кут зрушення струму в короткозамкненому ланцюзі.

Рисунок 3 - Залежності ударного коефіцієнта К_у й часу настання максимуму миттєвого значення повного струму к.з. t_к від тангенса кута зрушення струму tgφ_к в короткозамкненому ланцюзі: 1 - t_к; 2 - К_у

     Огляд наукових праць в області вдосконалювання об'єкта дослідження

     Умови експлуатації електричного обладнання в підземних виробітках шахт визначають спеціальні вимоги до побудови системи захисту дільничних мереж від струмів КЗ.

     Схеми й конструкції захисної апаратури повинні виконуватися з обліком:

• зовнішнього навколишнього середовища, у якій експлуатуються апаратура;
• особливостей дільничних електричних мереж;
• режимів роботи електричного обладнання на ділянці й ін.

     Для захисту підземних електричних установок від струмів КЗ у комплектні розподільні пристрої, у РУНН трансформаторні підстанції, рудничні автоматичні вимикачі, станції керування й магнітних пускачів повинні вбудовуватися засобу максимального струмового захисту.

     Одне із завдань максимального струмового захисту полягає в тому, щоб запобігти небезпечній дії струмів КЗ, що протікають через неушкоджені елементи підземних електричних установок. В умовах підземних виробітків шахт захист від струмів КЗ здобуває особливе значення як засіб забезпечення вибухо- і пожежобезпеки електричного обладнання.

     При виникненні дугового КЗ вибухозахист рудничного електричного обладнання може бути забезпечена тільки за умови застосування вибухобезпечної оболонки зі спеціальною конструкцією вибухозахисних з'єднань у сполученні з максимальним струмовим захистом. Пожежобезпека кабельних ліній може бути досягнута використанням негорючих екранованих гнучких і броньованих кабелів із захистом їх за допомогою максимального струмового захисту у сполученні із захистом від витоків.

     Таким чином, поряд з функцією експлуатаційного захисту завданням максимального струмового захисту є забезпечення в сполученні з іншими засобами захисту вибухо- і пожежобезпеки електричного обладнання при виникненні міжфазних КЗ у шахтній дільничній мережі.

     Найбільше часто використовувані на шахтах струмові захисти це: максимальні струмові захисти УМЗ і ПМЗ; автоматичний вимикач АБВ-250; швидкодіючий захист БМЗ.

     Розглянемо автоматичний вимикач АБВ-250 [5], він призначений для проведення струму в нормальному режимі й відключення струму при КЗ і замикання на землю, для оперативних відключень електричних кіл в очисних і підготовчих виробітках на крутих пластах вугільних шахт, небезпечних по раптових викидах вугілля, породи й газу, при системі електропостачання з автоматичним захисним (випереджальним) відключенням. Вимикач забезпечує наступні види управління, захисту, блокування, сигналізації й перевірки:

• ручне тимчасове відключення, а також дистанційне відключення за допомогою кнопкового поста;
• швидкодіючий захист електричної мережі від міжфазних замикань, пов'язаних із землею, і від однофазного замикання на землю, а також перевірку справності захисту й сигналізацію про її спрацьовування;
• захист від витоків струму на землю за допомогою реле витоку, перевірку його справності й сигналізацію про спрацьовування;
• нульовий захист;
• блокування, що перешкоджає включенню вимикача при зниженні Rиз щодо землі ділянки, що відходить, мережі нижче 30 Ом за допомогою БРУ, перевірку його справності й сигналізацію про спрацьовування;
• блокування, що перешкоджає включенню вимикача й забезпечує відключення його при обриві, замикання й збільшення опору ланцюга дистанційного відключення понад 40 Ом;
• блокування, що перешкоджає включенню вимикача й забезпечує відключення його при не досягненні або зниженні рівня напруги на батареї конденсаторів за допомогою пристрою контролю напруги, а також сигналізацію про недостатній рівень напруги на батареї конденсаторів;
• блокування, що перешкоджає включенню вимикача після спрацьовування швидкодіючого захисту;
• подачу сигналу, що включає, на моторні короткозамикачі в кількості до 10 при спрацьовуванні швидкодіючого захисту;
• замикання за допомогою короткозамикачів основних жил кабелю, що відходить, при спрацьовуванні швидкодіючого захисту.

     Мета й завдання досліджень

     Розрахунок електромагнітних перехідних процесів у системах електроспоживання при коротких замиканнях, як найбільш характерних порушеннях, має важливе значення для проектування й експлуатації. Такий розрахунок передбачає знаходження значень напруг, струму й інших параметрів режиму КЗ у точці виникнення КЗ або в інших точках систем електропостачання (СЕС) або вітках мережі при заданих умовах.

     Розрахунки режиму КЗ необхідні для рішення таких завдань:

• виявлення умов роботи споживачів енергії при можливих КЗ і допустимості того або іншого режиму;
• ввибір і перевірка електрообладнання при умовах КЗ;
• проектування й налагодження засобів релейного захисту й системної автоматики, вибір попереджувальних пристроїв автоматичних комутаційних апаратів;
• зіставлення, оцінка й вибір схем електричних з'єднань СЕС;
• координація й оптимізація значень струмів і потужності КЗ;
• оцінка стійкості режиму СЕС і її вузлів навантаження;
• проектування заземлюючих пристроїв;
• визначення впливу струмів КЗ на лінії зв'язку;
• вибір розрядників для захисту електроустановок від перенапруги;
• аналіз аварій в електроустановках;
• проведення різних випробувань у СЕС.

     Дослідження процесів в об'єкті
     Обґрунтування принципових допущень

     При дослідженні моделі електричної мережі ділянки шахти, припускаємо, що: на параметри живлячої напруги ніяких зовнішніх впливів не здійснюється; мережа протягом періоду експлуатації не перетерплює змін; геологічних впливів на обладнання й кабельні лінії немає; асинхронний двигун не віддає реактивну енергію в мережу; параметри кабелю, з урахуванням впливів при експлуатації, не міняються; кабельні муфти, що збільшують опір, відсутні й ін.

     При розрахунку моделі електричної мережі ми свідомо зневажаємо значеннями активних і реактивних опорів автоматичного вимикача, пускача, думаючи, що ці значення є незначними й не роблять істотного впливу на результати розрахунків і результати моделювання.

     Уведені спрощення дозволяють підвищити наочність моделі, а також значно її спростити. При цьому виключені значення становлять настільки малу частку при розрахунках, що їхнє виключення не знижують адекватності моделі.

     Обґрунтування математичної моделі об'єкта дослідження

     Електрична мережа ділянки шахти - це частина структури комплексу вугільної шахти в цілому, що складається як з поверхневих споживачів, так і з підземних споживачів електричної енергії.

     Електрична мережа ділянки шахти містить у собі живильну трансформаторну підстанцію ТСВП, розгалужену кабельну мережу, автоматичні вимикачі АВ, пускачі ПВИ по числу споживачів, тиристорний комутатор у ланцюзі електродвигуна, електродвигуни.

     На рис. 4 представлена спрощена схема електромережі ділянки шахти.

Рисунок 4 - Спрощена схема електричної мережі ділянки шахти

     Для досліджень виберемо ділянку, що складається із трансформаторної підстанції ТСВП, автоматичного вимикача АВ, одного пускача ПВИ, тиристорного комутатора й асинхронного електродвигуна шахтної машини АД.

     Перетворимо показану вище схему у вигляді сукупності структурних блоків, що представляють активне й реактивне опори. На рис. 5 представлена структурна схема електричної мережі ділянки шахти.

Рисунок 5 - Спрощена структурна схема електричної мережі ділянки шахти

     На процеси, що відбуваються в мережі, при короткому замиканні впливають наступні фактори:

• лінійна напруга трансформаторної підстанції;
• активно-індуктивні параметри мережі, включаючи трансформатор, кабелі й двигун;
• виключення частини активно-індуктивних параметрів;
• реальні величини напруги на виході тиристорного комутатора на основі кута відмикання тиристорів.

     Спрощена розрахункова схема представлена на рис 6.

Рисунок 6 - Спрощена розрахункова схема електричної мережі ділянки шахти.

     З огляду на прийняті допущення складемо рівняння математичної моделі, користуючись II законом Кирхгофа:

     для 1-го контуру:

-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 контуру:

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);

     Нехай:

     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. Приймемо L_ΣA = L_ΣB = L_ΣC
         R_ΣA = R_ΣB = R_ΣC

     Тоді L_Σ = L_ΣA = L_ΣB = L_ΣC

     Фазні струми рівні:

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

     Результати моделювання

     У результаті моделювання були отримані графіки залежності зміни в часі фазних струмів I_А, I_В, I_С при трифазному КЗ (рис. 7-9).

Рисунок 7 - Графік залежності в часі струму фази А

Рисунок 8 - Графік залежності в часі струму фази В

Рисунок 9 - Графік залежності в часі струму фази С

     Сума фазних струмів дорівнює нулю. Перевірка:

Рисунок 10 - Графік залежності в часі суми фазних струмів А, В, С

     Висновки

     У даній роботі було виконано:

• розглянуто захисти шахтних дільничних мереж від струмів короткого замикання;
• продемонстровано процес короткого замикання за допомогою обчислювального пакета MathCAD;
• визначено значимих факторів впливу на величину струмів короткого замикання;
• уведено раціональні допущення;
• складено розрахункову схему, математична модель, схема комп'ютерної моделі, що дозволило зробити відповідне дослідження й одержати відповідні дані про процес короткого замикання.

     Таким чином, у результаті математичного моделювання отриманий перехідний процес виникнення короткого замикання в електричній мережі, що супроводжується періодичних і аперіодичної складових струмів замикання.

     Установлено, що аперіодичні складові змінюються екпоненційно й деформують загальну криву струму, при цьому сума миттєвих значень аперіодичних складових струмів короткого замикання трьох фаз дорівнює нулю

     Розроблена математична модель може бути використана для більше детального вивчення процесу короткого замикання на шахтах і створення захистів з обліком всіх факторів, що впливають.

     Перелік посилань

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 магістрів ДонНТУ