Библиотека

Параметры токов короткого замыкания в шахтных электрических сетях и исходные данные для разработки устройства проверки максимально-токовых защит импульсным током

УДК 622:621.316.9

Автор: С.Н. Барахтаев, М.В. Гришин НЦ ВостНИИ

Источник: http://tokem.narod.ru/SOFT_LIT/soft.htm

Причиной многих крупных аварий, связанных с применением электро-энергии в угольных шахтах является загрубление уставок срабатывания защитной аппаратуры. Статистические данные эксплуатационной проверки максимально-токовых защит (МТЗ) показывают, что 10-15 % из них по ус-тавке срабатывания не соответствуют требуемым значениям безопасности.
        Короткие замыкания (к.з.) в условиях подземных выработок могут явиться причиной пожара или взрыва. По данным НЦ ВостНИИ [1] более 65% экзогенных подземных пожаров в шахтах происходит в результате повреждения электрооборудования и кабелей. При этом пожары из-за к.з. в бронированных кабелях составляют 12%, из-за к.з. в гибких кабелях – 24% и из-за неисправности электрооборудования – 30%. Число взрывов в забоях и прилегающих к ним горных выработках, по причине к.з. в кабелях и в электрооборудовании составляет 35% от общего числа взрывов.
        Основная причина возникновения к.з. в подземных электроустановках – нарушение их электрической изоляции внешними механическими воздействиями (удары, перегибы, выдергивания). Рудничные аппараты и электродвигатели имеют механически прочные оболочки, защищающие их активную часть от внешних воздействий. В тоже время в подземных выработках шахт эксплуатируются многие километры бронированных и гибких кабелей, оболочки которых имеют недостаточную механическую прочность. Повреждение изоляции силовых жил кабеля из-за обрушив-шейся породы или перемещения горных машин, вызывает наиболее опасное междуфазное к.з. с образованием электрической дуги. Дуговое к.з. сопровождается выбросом частиц расплавленного металла и горящей изоляции в окружающее пространство, что приводит к воспламенению легкозагорающихся материалов – метана, угольной пыли, масла и др.
        В угольных шахтах, в соответствии Инструкцией по проверке мак-симальной токовой защиты шахтных аппаратов (к §545 Правил безопасности в угольных шахтах), проверка уставок МТЗ должна производится перед спуском аппарата в шахту, перед вводом его в эксплуатацию, ес-ли с момента проверки аппарата на поверхности прошло более двух недель, и во время эксплуатации – не реже одного раза в шесть месяцев для аппаратов напряжением до 1200 В и не реже одного раза в год – для аппаратов напряжением свыше 1200 В. Проверка уставок защиты в подземных выработках шахт, опасных по газу, должна производиться, как правило, с помощью средств проверки в рудничном исполнении по месту установки шахтных аппаратов в подземных выработках [2]. Однако до настоящего времени промышленностью не выпускается таких средств и проверку МТЗ вынуждены выполнять с выдачей шахтной аппаратуры на поверхность шахты.
        При ревизиях подземного высоковольтного электрооборудования, применяемые в угольных шахтах устройства для проверки МТЗ на основе нагрузочного трансформатора с регулятором тока, не соответствуют требованиям безопасности, имеют искрящиеся элементы, значительные габариты и вес (более 100 кг), а для их питания требуется подключение к электрической сети.
        Институтом НЦ ВостНИИ были проведены исследования параметров токов короткого замыкания в шахтных электрических сетях и получены исходные данные для создания эффективных средств проверки МТЗ импульсным методом.
        Аварийные токи при к.з. зависят от параметров генерирующих источников питания, конфигурации питающей сети, параметров её элементов, фазы э.д.с. в момент возникновения к.з., наличия или отсутствия присоединенной нагрузки. При возникновении к.з. общее электрическое сопротивление цепи системы уменьшается, что вызывает резкое увеличение токов в сети. Характер протекания тока к.з. системы в значительной степени зависит от мощности питающей системы и сопротивления короткозамкнутой цепи.
        В общем случае явление короткого замыкания [3] определяется дифференциальным уравнением                                   (1) Решение уравнения (1) дает выражение для мгновенного значения полного тока к.з.                                   (2) где: R_к и L_к – активное и индуктивное сопротивление короткозамкнутой цепи;
α – фаза включения при t = 0;
ω – угловая частота;
φ_к = arctg(L_кω/R_к) – угол отставания тока от напряжения при установившемся режиме.
        Ток i_к из выражения (2) может быть представлен на рисунке 1 как сумма:

• синусоидального тока i_п – переменной периодической составляющей установившегося режима после затухания переходных явлений;
• тока быстроспадающего по экспоненте i_а, который характеризует переходный процесс к установившемуся режиму

                                  (3) где: – амплитудное значение апериодической составляющей тока к.з.;
Т_а = Х_к/(ω R) – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока к.з.

Токи к.з. зависят от начальной фазы напряжения α. Если фаза α равна углу отставания фазы тока φ_к, то апериодическая составляющая равна нулю и режим к.з. не имеет переходного состояния, а ток сразу становится равным току периодической составляющей. При (α – φ_к) = π/2 апериодическая составляющая имеет максимум. Это возможно, когда к.з. происходит при переходе кривой питающего напряжения через минимум.

Рис.1 – Кривая изменения тока к.з. в подземной электрической сети

Наибольшее мгновенное значение полного тока к.з. i_у (ударный ток) наступает примерно через 1/2 периода (0,01 с) с момента возникновения к.з. и равно                                   (4) где: К_у – ударный коэффициент.

Ударный коэффициент К_у [4] можно определить по графику на рисунке 2, а его ориентировочные значения при к.з. в различных точках шахт Кузбасса (из расчета схем электроснабжения) имеют значения, приведенные в таблице 1.

Рис.2 – Зависимость ударного коэффициента К_у от отношения индуктивного сопротивления короткозамкнутой цепи к активному сопротивлению

Таблица 1 – Значения ударного коэффициента

Для определения распределения токов к.з. был проведен расчет схем электроснабжения 20 шахт Кузбасса. На рисунках 3 и 4 приведены гистограммы распределения токов к.з. в шахтных участковых сетях на-пряжением 660-1200 В и в высоковольтной сети на шинах ЦПП.

Рис.3 – Гистограмма распределения и совмещенная с ней кривая распределения аварийных токов в шахтных участковых сетях напряже-нием 660-1200 В КЗ

Рис.4 – Гистограмма распределения и совмещенная с ней кривая распределения аварийных токов в высоковольтной сети на шинах ЦПП

Время действия токов к.з. можно оценить по зависимостям времени срабатывания максимальных токовых защит УМЗ и ПМЗ [5] от кратности тока срабатывания К_T = i_к/i_у (см. рисунки 5 и 6).

Таким образом, можно сделать следующие выводы:

1. Токи к.з. частотой 50 Гц имеют переходный затухающий режим. В сетях напряжением до 1200 В переходный процесс заканчивается через 0,01-0,03 с при ударном коэффициенте К_у = 1,0-1,4, в сетях напряжением свыше 1200 В продолжительность переходного процесса достигает 0,1 с при ударном коэффициенте К_у = 1,3-1,8.
2. Величины токов к.з. в шахтных участковых сетях напряжением 660-1200 В достигают 5 кА, причем наибольшая плотность токов к.з. относится к диапазону 1-2 кА; токи к.з. в высоковольтной сети достигают 3 кА, причем наибольшая плотность токов к.з. относится к диапазону 0,7-1,4 кА.
3. Продолжительность импульса тока к.з. при кратности тока срабатывания К_T = 1,5 составляет для защиты ПМЗ – не более 0,01 с, УМЗ – не более 0,04 с, встроенного токового реле прямого действия – не более 0,05 с.

Рис.5 – Зависимость времени срабатывания t_ср защиты УМЗ от кратности тока к.з. к току уставки i_к/i_у

Рис.6 – Зависимость времени срабатывания t_ср защиты ПМЗ от кратности тока к.з. к току уставки i_к/i_у

По результатам исследования установлено, что токи к.з. частотой 50 Гц имеют переходный затухающий режим. В шахтных сетях напряжением до 1000 В переходный процесс заканчивается через 0,01-0,03 с. В сетях напряжением свыше 1000 В продолжительность переходного процесса достигает 0,1 с.
        Полученные статистические данные распределения токов к.з. в шахтных высоковольтных и низковольтных сетях показывают, что устойчивые уровни величин токов к.з. в кабельных сетях напряжением 660-1200В достигают 5 кА, причем наибольшая плотность токов к.з. относится к диапазону 1-2 кА, токи к.з. в высоковольтной сети достигают 3 кА, причем наибольшая плотность токов к.з. относится к диапазону 0,7-1,4 кА.
        Продолжительность действия токов к.з. в шахтной сети определяется временем срабатывания защитной аппаратуры. Анализ временных параметров защитной аппаратуры позволил установить, что время срабатывания в значительной мере зависит от кратности тока срабатывания К_T. Установлено, что при кратности тока срабатывания К_T = 1,5, продолжительность импульса тока к.з. составляет для защиты типа ПМЗ – не более 0,01 с, УМЗ – не более 0,04 с, встроенного токового реле прямого действия – не более 0,05 с.
        На основе вышеизложенных исследований были получены следующие обоснованные требования для разработки и изготовления новых средств эксплуатационной проверки МТЗ шахтных электроустановок импульсным методом:

1. Импульс нагрузочного тока для проверки МТЗ должен иметь ко-лебательный характер частотой 50-100 Гц и имитировать по форме и величине наиболее опасный переходный режим тока к.з. в шахтных электрических сетях.
2. Длительность импульса тока должна быть не менее 0,03 с.
3. Диапазон проверяемых уставок по току от 200 до 2400 А.

        Результаты проведенных исследований могут являться исходными данными для разработки технической документации и изготовления опытных образцов устройства для проверки МТЗ в угольных шахтах, ос-нованных на импульсном методе проверки.

Cписок литературы:

1. Создать переносное устройство с автономным питанием в руднич-ном исполнении для эксплуатационной проверки импульсным методом максимальных токовых защит (МТЗ) подземных электроустановок в угольных шахтах: Отчет о НИР/ ВостНИИ; Руководитель В.А. Гришин. ОНТП №7.9.1. – Кемерово, 1999. – 46 с.
2. Правила безопасности в угольных шахтах (РД 05-94-95).
3. Риман Я.С. Защита шахтных участковых сетей от токов короткого замыкания. 2-е изд., перераб. и доп. – М., Недра, 1985, 88 с.
4. К. Структурные методы в распознавании образов/ Перевод с англ. Завалишина Н.В., Петрова С.В., Шейнина Р.Л.; Под ред. Айзермана М.А. — М.: «Мир», 1977.
5. Гладилин Л.В. Основы электроснабжения горных предприятий. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1980. – 327 с.
6. Руководство по ревизии, наладке и испытанию подземных элек-троустановок шахт. Под ред. В.В. Дегтярева, Л.В. Седакова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1989. – 614 с.