Исследование функциональных возможностей технических средств подавления обратных энергетических потоков асинхронных двигателей
Авторы: Бильдей Е.Е., Виляева Е.П.
Источник:«СЕВЕРГЕОЭКОТЕХ–2010»/ Материалы конференции. - Ухта: УГТУ. - 2010.
Совокупность асинхронных двигателей (АД) потребителей очистного участка шахты создает обратные энергетические потоки после защитного отключения напряжения электрической сети. В случае возникновения короткого замыкания или утечки тока на землю такие энергетические потоки продолжают действовать и после защитного отключения, поддерживая аварийное состояние сети. Учитывая, что активная мощность АД потребителей участка сопоставима с полной мощностью питающей трансформаторной подстанции, опасность электропоражающего фактора и воспламенения точки к.з. вследствие действия этих обратных энергетических потоков - очевидна. Таким образом, актуальна задача исследования процессов, обусловленных подобными обратными энергетическими потоками и разработки соответствующих защит.
Особенности формирования обратных энергетических потоков, обусловленных совокупным действием ЭДС вращения АД потребителей, и воздействия их на цепи утечки тока на землю, либо к.з., рассмотрены в исследовании [1].
Очевидно, что аварийная точка кабеля, подключенного к АД, может быть обесточена после защитного отключения напряжения питания в случае, если обратный энергетический поток двигателя будет отведен на искусственную цепь короткого замыкания (на вводе статора АД) либо иную нагрузку, например, предварительно не заряженное трёхфазное ёмкостное присоединение. Для исследования процессов в подобном электротехническом комплексе с элементами принудительного подавления обратного энергетического потока АД может быть применен принцип компьютерного моделирования, обоснованный в [2]. Структура модели, адаптированная к условиям настоящих исследований, представлена на рис.1. В частности, исследуется процесс подавления обратных энергетических потоков с помощью создания цепи принудительного короткого замыкания на вводе АД в случае возникновения к.з в кабеле двигателя и последующим защитным отключением сети.
Рисунок 1 – Структура компьютерной модели исследования аварийного режима и подавления обратных энергетических потоков путем создания цепи принудительного короткого замыкания на входе АД
Введены следующие допущения:
- в состав электротехнического комплекса входит комплектная трансформаторная подстанция с заданными параметрами активных и индуктивных сопротивлений вторичной обмотки трансформатора; линейное напряжение сети 660 В, частота 50 Гц;
- коммутация трехфазной силовой цепи осуществляется силовым коммутационным аппаратом (на рис.1 – обозначение «Switch ABC»);
- нагрузкой подстанции является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Модель позволяет ввести параметры конкретного АД (например, типа 2ЭКВ4УС2);
- электропитание АД осуществляется по кабелю длиной L. Активно-индуктивные сопротивления кабеля определяются его типом, сечением и длиной;
- расстояние от коммутационного аппарата до точки к.з. L1 может варьироваться; длина кабеля от точки короткого замыкания до АД составляет (L-L1) м;
- продолжительность выявления к.з. и защитного отключения аварийного присоединения – 0,1 с;
- влиянием остальных потребителей участка шахты на процессы в исследуемом кабельном присоединении пренебрегаем.
Точками контроля фазного тока являются: «А» – на выходе силового коммутационного аппарата; «А1» – место короткого замыкания; «А2» – клемма кабельного ввода АД.
В точке «А» ток к.з. описываются выражением:
где iк, iп, iа - ток к.з. от трансформаторной подстанции до точки замыкания и его периодическая и апериодическая составляющие, соответственно; Zк – полное сопротивление цепи к.з.; фк – угол сдвига тока относительно напряжения в этой цепи;
- постоянная времени цепи к.з.; а– фаза включения к.з.; rк, xк - соответственно, активное и индуктивное сопротивления цепи к.з.
Для точки «А2» справедливо выражение:
где еv - мгновенное значение ЭДС вращения АД; iк - мгновенное значение тока, обусловленного ЭДС вращения АД; Rк, Lк - соответственно, активные сопротивления и индуктивности гибкого кабеля от АД до точки замыкания; Rs, Lsi - активное сопротивление и индуктивность статора АД.
В точке «А1» – действует сумма токов, обусловленных напряжением питающего трансформатора и ЭДС вращения АД:
Компьютерная модель (рис.1) позволяет получить диаграммы токов в контрольных точках. (рис.2).
Рисунок 2 – Диаграммы токов (А) в контрольных точках схемы (рис.1) а- ток в точке «А», от питающего трансформатора; б – ток в точке «А1» между местом возникновения к.з. и цепью искусственного к.з.; в- ток в точке «А2», обусловленный ЭДС вращения АД
Переход АД из состояния работы при номинальной нагрузке в состояние электропитания точки к.з. во вводном кабеле (рис.2,в) сопровождается всплеском тока, отсутствием бестоковой паузы и интенсивным снижением тока по амплитуде и частоте на интервале 0,1 с (для АД типа 2ЭКВ4УС2).
Моделированием установлена возможность существенного ограничения продолжительности составляя.щей тока к.з., обусловленной действием ЭДС вращения АД, при условии принудительного подавления обратного энергетического потока двигателя путём создания искусственной цепи замыкания на вводе АД. Эта же модель позволяет исследовать альтернативные способы принудительного подавления обратных энергетических потоков при условии замены узла 3 «Phase fault» на соответствующий функциональный узел. В частности, приемлемый эффект ограничения составляющей тока в цепи к.з. от ЭДС вращения АД может быть достигнут применением цепи отвода обратного энергетического потока АД на предварительно не заряженное трёхфазное ёмкостное присоединение (рис. 3).
Рисунок 3 – Диаграмма тока в точке «А1» и напряжения заряда в цепи предварительно разряженной ёмкости
Библиографический список
1. Бильдей Е.Е, Виляева Е.П Исследование особенностей влияния обратных энергетических потоков на аварийные процессы в электротехническом комплексе шахты после защитного отключения / Х международная молодежная конференция «Севергеоэкотех-2009»: материалы конференции (18-20 марта 2009г., Ухта): в 4 ч.; ч 1. – Ухта УГХТУ 2009.- 436 с.
2. Маренич К.Н. Моделирование процесса короткого замыкания в электротехническом комплексе участка шахты во время выбега электродвигателя потребителя / [Маренич К.Н., Ковалёва И.В.]; под общ. ред. акад. НАН Украины Г.Г. Пивняка. - Донецк ООО «Юго-Восток, Лтд» 2005. – С. 84-88, - (Взрывозащищённое электрооборудование) (сб. науч. тр. УкрНИИВЭ)