Автореферат по теме магистерской работы:

"Повышение эффективности максимальной токовой защиты электротехнического комплекса участка шахты на основе автоматического подавления обратных энергетических потоков электродвигателей потребителей"

Введение

Горная промышленность является одной из важнейших отраслей, которая определяет уровень энергетического потенциала Украины. Повышение эффективности ведения горных работ, непосредственно связано с увеличением количества электротехнических установок шахт, повышенной разветвленности кабельных линий, широким применением силовых преобразователей частоты и тиристорных регуляторов напряжения в электроприводах подавляющего большинства горных машин. Все это не только требует внедрения специальных технических средств, но и существенно влияет на состояние электробезопасности эксплуатации силовых электротехнических установок и участковых электросетей шахты.

В электросети очистного участка имеет место наибольшее количество повреждений по сравнению с другими участками электроснабжения шахты.

Ограниченность пространства в горных выработках участка при недостаточной освещенности значительно усложняют монтаж, обслуживание и профилактический ремонт электрооборудования. Из-за несвоевременного устранения возникших неисправностей в электрооборудовании, а также в результате ошибочных действий обслуживающего персонала в рудничном электрооборудовании возникают короткие замыкания (к.з.) [1].

Актуальность

Очистной участок шахты характеризуется наличием большого количества нестационарного (перемещаемого в процессе работы) технологического оборудования, в составе которого, как правило, эксплуатируются асинхронные электродвигатели (АД). Это обстоятельство определяет наличие разветвленной сети гибких кабелей. Однако в условиях шахты гибкие кабели наиболее подвержены повреждениям, что обуславливает высокую опасность электротравматизма и вероятность возникновения междуфазных коротких замыканий. Значительные выделения тепловой энергии в аварийном электрическом присоединении способны не только привести к повреждению электрооборудования, но и вызвать взрыв метано-воздушной смеси, либо пожар в шахте. Существующие средства максимальной токовой защиты автоматических выключателей и пускателей позволяют с высоким быстродействием выявить короткое замыкание [2]. Однако после защитного отключения аварийное состояние электросети не устраняется. Причиной является наличие обратных энергетических потоков от ранее включенных АД потребителей, находящихся в состоянии свободного выбега. Учитывая, что активная мощность АД совокупности потребителей участка сопоставима с полной мощностью питающей трансформаторной подстанции, опасность электропоражающего фактора и воспламенения точки к.з. вследствие действия этих токов очевидна. В связи с этим представляется актуальным исследование процессов в участковой электросети шахты, обусловленных действием обратных энергетических потоков после защитного отключения.

Цели и задачи

Целью работы является повышение эффективности максимальной токовой защиты электротехнического комплекса участка шахты на основе подавления обратных энергетических потоков электродвигателей потребителей. Для решения поставленной цели ставим следующие задачи:

• изучение элетротехнического комплекса (ЭТК) участка шахты как объекта исследования;
• изучение особенностей протекания короткого замыкания в ЭТК участка шахты и анализ способов максимальной токовой защиты;
• обоснование совокупности факторов влияющих на аварийную точку ЭТК, обусловленных действием обратных энергетических потоков;
• разработка математической модели процессов в ЭТК при возникновении короткого замыкания и теоретическое исследование этой модели;
• эксперементальное исследование процессов в ЭТК участка шахты;
• практическая реализация результатов исследования.

Предметом исследования является процесс короткого замыкания и влияние обратных энергетических потоков со стороны асинхронных двигателей как потребителей ЭТК участка шахты на аварийную точку.

Объект исследования – ЭТК участка шахты.

Предполагаемая научная новизна

В работе предполагается уточнение параметров электротехнического комплекса участка шахты, обусловленных обратными энергетическими потоками асинхронных двигателей в процессе возникновения короткого замыкания, включая выбег асинхронного двигателя после защитного отключения; получение информационного параметра для устройства подавления этих обратных энергетических потоков.

Апробация результатов исследования

Результаты исследования были представлены на конференциях и опубликованы в соответствующих сборниках:

- Х международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2009», проводимая Ухтинским государственным техническим университетом 18-20 марта 2009г. в рамках V Северного социально-экологического конгресса;

- IX научно–техническая конференция аспирантов и студентов «Автоматизация технологических объектов и процессов. Пошук молодих.», проводимая Донецким национальным техническим университетом 20 - 22 мая 2009г.;

- ХI международная молодежная научная конференция «Севергеоэкотех-2010», проводимая Ухтинским государственным техническим университетом 17-19 марта 2010г.

Анализ исследований и публикаций по теме

Классическая теория короткого замыкания, описывающая этот процесс как совокупность возникновения периодической и апериодической составляющих тока к.з., получила развитие в работе [3], где особое внимание уделено вопросу распределения энергетических потоков в случае к.з. в кабельной линии, питающей асинхронный двигатель. Этот подход нашел отражение в работе [4], где обоснована модель процесса к.з. в шахтной участковой электросети, учитывающая совместное влияние ЭДС вращения АД ранее включенных потребителей после защитного отключения. Полученные диаграммы изменения тока в аварийном присоединении [5] подтверждают актуальность обоснования параметров и разработки специального защитного устройства, способного подавить влияние ЭДС вращения АД на точку к.з. после отключения сети. В связи с этим, требуется уточнение параметров тока в различных точках аварийного присоединения (выход пускателя; точка к.з.; клеммы статора АД и др).

Короткое замыкание как предмет исследования

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

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

Существующая тенденция к повышению мощности технологических установок предопределяет рост мощности их электродвигателей, разветвление участковой электросети, применение более протяженных кабелей, увеличения их сечения, перевод электросети на повышенные уровни напряжения. В результате снижаются токоограничивающие свойства электросети, повышаются мощности и продолжительность подпитки точки к.з. со стороны статоров АД. Кроме того, процесс усугубляется тем, что после защитного отключения некоторое время могут быть включены контакторы магнитных пускателей вследствие действия ЭДС вращения АД [6].

Разработка математической модели процесса короткого замыкания и действия обратных энергетических потоков со стороны электродвигателей потребителей

Исследование действия обратных энергетических потоков в ЭТК участка шахты в процессе возникновения к.з. и после защитного отключения электрической сети может быть осуществлено средствами математического и компьютерного моделирования. С целью разработки математической модели целесообразно принять следующие допущения:

• На зажимах трансформатора до момента отключения автоматического выключателя (АВ) - симметричное трехфазное напряжение с постоянной амплитудой и частотой;
• Переходные сопротивления коммутационных аппаратов равны нулю, срабатывание указанных коммутационных аппаратов происходит мгновенно;
• Все двигатели потребителей включены соответствующими пускателя;
• Короткое замыкание возникает в гибком кабеле между магнитным пускателем и АД соответствующего присоединения;
• Контакторы остаются включенными до момента снижения напряжения в сети до уровня 0,4 от номинального значения;
• Защитное отключение сети выполняется только автоматическим выключатлем. Быстродействие отключения электросети АВ максимальна и не превыщает 0,05 с [7]. Поэтому основанием для последнего предположения есть вероятность того, что в случае к.з. АВ успевает отключить сеть до того, как на аварийный процесс в присоединении отреагирует защита пускателя в совокупности с релейными элементами дистанционного управления и контактором.

Процесс к.з. может быть представлен совокупностью состояний, которые сменяют друг друга:

• Возникновение к.з. (протекания тока до точки к.з. от трансформаторa);
• Продолжение подпитки точки к.з. от трансформатора и протекания тока до точки к.з. от статора АД аварийного присоединения (процесс продолжается до момента защитного отключения электропитания со стороны трансформатора;
• Появление уравнительных токов, обусловленных обратными ЭДС АД после защитного отключения напряжения питания;
• Подпитка точки к.з. только от АД аварийного присоединения (процесс протекает после отключения контакторов пускателей смежных присоединений.

Для исследования процессов в участковой электросети шахты после её защитного отключения целесообразно использовать схему замещения представленную на рис.1. Эта схема предусматривает учет всех параметров асинхронных двигателей (M1 – Mn) потребителей, таких как активные и индуктивные сопротивления статоров (Rс;Xс); приведенные активные и индуктивные сопротивления роторов (R’r; X’r ); индуктивные сопротивления цепи намагничивания (Xо); ЭДС вращения (евр), индуктируемые на статоре каждого АД вращающимся полем токов ротора.

Моделирование переходного процесса короткого замыкания в цени питания одного из двигателей производится замыканием контакта К в цепи нагрузки выпрямителя VC. Такая схема позволяет получить абсолютную симметрию фазных токов короткого замыкания в аварийной точке (исключается влияние разных сопротивлений контактов и их дребезг при использовании трехфазного короткозамыкателя).

Рисунок 1 – Схемы замещения ЭТК участка шахты для исследования процесса короткого замыкания после защитного отключения (рисунок анимирован, количество кадров - 17; задержка между кадрами - 500 мс; объем - 91,8Кб, размер - 767x498, повторения анимации - бесконечно)

Анимированное изображение на рисунке 1 позволяет наглядно отобразить направление энергетических потоков во время трехфазного короткого замыкания. Как видно, при замыкании контакта К в цепи нагрузки выпрямителя VC, в исследуемом участке возникает трехфазное к.з. Точка к.з. получает питание со стороны трансформаторной подстанции и одновременно от статора АД. После срабатывания защитного отключения в АВ, подпитка точки к.з. осуществляется только от АД аварийного присоединения.

Особенностью применения пускателей является то, что их схемы, получая питание от ЭДС вращения (евр) АД (формула 1):

(1)

где р – число пар магнитных полюсов АД; is и ir – токи статора и ротора; L - индуктивность главного магнитного поля в расчете на фазу АД; А – индекс фазы «А».

Эта ЭДС удерживает контакторы КМ во включенном состоянии некоторое время после отключения напряжения питания сети. Будем полагать, что напряжение отключения каждого контактора находится в пределах 0,4-0,6 от номинального напряжения сети, и отключение контакторов происходит стохастически.

В результате исследования компьютерной модели получены следующие зависимости: диаграмма тока, протекающего со стороны питающего трансформатора к аварийной точке (рис. 2), диаграммы токa, протекающего со стороны статора АД аварийного присоединения к аварийной точке (рис.3), диаграмма токa в точке короткого замыкания (рис.4):

Рисунок 2 – Диаграмма токa, протекающего со стороны питающего трансформатора к аварийной точке

Рисунок 3 – Диаграмма токa, протекающего со стороны статора АД аварийного присоединения к аварийной точке

Рисунок 4 – Диаграмма токa в точке короткого замыкания

Практический интерес представляет процесс изменения тока АД в момент возникновения к.з. в питающем кабеле. Переход АД из состояния работы при номинальной нагрузке в состояние электропитания точки к.з. во вводном кабеле (рис.3) сопровождается всплеском тока, отсутствием бестоковой паузы и интенсивным снижением тока по амплитуде и частоте на интервале 0,1 с (для АД типа 2ЭКВ4УС2).

Ток в точке к.з. (рис.4) является суммой токов, направленных от трансформаторной подстанции и от АД, соответственно.

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. Структура модели (выполненная средствами математического пакета Matlab), адаптированная к условиям настоящих исследований, представлена на рис.5. В частности представлена схема 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 [8].

Рисунок 5 - Структура компьютерной модели исследования аварийного режима и подавления обратных энергетических потоков путем создания цепи принудительного короткого замыкания на входе АД

Вывод

Определение функциональных возможностей средств подавления обратных энергетических потоков на основе моделирования процессов в расчетной схеме является предметом дальнейших исследований. Полученные результаты моделирования могут быть приняты за основу обоснования параметров, на которые должно реагировать устройство подавления ЭДС вращения АД.

Библиографические ссылки

1. Риман Я.С. Защита подземных электрических установок угольных шахт. / Я.С. Риман. – М.: «Недра», 1977. – с. 5-11.
2. 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.
3. Перехідні процеси в системах електропостачання: Підручник для вузів. Вид.2-е, доправ. та доп. / Г.Г Півняк, В.М.Винославський, А.Я. Рибалко, Л.І. Несен / За ред. Академіка НАН Украйни Г.Г. Півняка. – Дніпропетровськ: Національний гірничий університет, 2002. – с. 82 – 103.
4. Маренич К.Н. Обоснование структуры модели процесса короткого замыкания в электротехническом комплексе участка шахты / Маренич К.Н., Ковалева И.В. //наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Гірничо-електромеханічна» Випуск 12(113). - Донецьк: ДонНТУ, 2006. – С. 179-185
5. Маренич К.Н., Ковалева И.В. Моделирование процесса короткого замыкания в низковольтном электротехническом комплексе шахты с учетом влияния электропотребителя // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Випуск 7(128), серія електротехніка та енергетика. - Донецьк: ДонНТУ, 2007. - с. 146-149.
6. 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)
7. Справочник энергетика угольной шахты / [Дзюбан В.С., Ширнин М.Г., Ванеев Б.К., Гостищев В.М.]; под общ. ред. Б.Н.Ванееа – [2-е изд.] – Донецк, ООО «Юго-Восток Ltd.», 2001, - Т1. – с. 339-411
8. Бильдей Е.Е, Виляева Е.П . Исследование функциональных возможностей технических средств подавления обратных энергетических потоков асинхронных двигателей // Х международная молодежная конференция «Севергеоэкотех-2010»: материалы конференции (18-20 марта 2010г., Ухта): в 4 ч.; ч 1. – Ухта УГХТУ 2009.- 436 с.
9. Lugo Nunez, David Rush. High power density and overcurrent protection challenges in the design of a three-phase voltage source inverter for motor drive applications. Blacksburg, Va. : University Libraries, Virginia Polytechnic Institute and State University, 2007. - 396с. - [Электронный ресурс] - Режим доступа http://scholar.lib.vt.edu/theses/available/
10. Дьяконов В. П. MATLAB 6.5 SP1/7.0 + Simulink 5/6 в математике и моделировании / В. П. Дьяконов // Библиотека профессионала - M.:Солон-Пресс, 2005. - 576с - [Электронный ресурс] - Режим доступа http://itbookz.ru/math/matlab/

Примечание

При написании данного автореферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата завершения работы 1 декабря 2010 года.