Обоснование средства максимальной токовой защиты с функцией ускоренного срабатывания

Автор: Шелудяков И.Ю., Ковалёва И.В.
Источник: Автоматизація технологічних об’єктів та процесів. Пошукмолодих: IХ міжнар. наук.-техн. конф., зб. наук. праць – Донецьк: ДонНТУ, 2014. – с. 332-334.

Одним из наиболее опасных аварийных состояний шахтного низковольтного электротехнического комплекса (ЭТК) является режим междуфазного короткого замыкания (к.з.). Величина силы тока к.з., ограниченная незначительными активно-индуктивными сопротивлениями сети до места замыкания, может достигать нескольких тысяч Ампер, а выделяемая при этом тепловая энергия в аварийном присоединении способна привести не только к повреждению электрооборудования, но и вызвать пожар в шахте или взрыв метано-воздушной смеси. Особенно актуальны эти особенности для шахт Донбасса, где добыча ведется на больших глубинах и сопровождается значительным выделением метана.

Существующие средства максимальной токовой защиты (МТЗ) в шахтном участковом электротехническом комплексе отрабатывают функцию выявления тока к.з. со стороны комплектной трансформаторной подстанции и отключения напряжения питания этого источника от электрического присоединения, в котором возникло междуфазное короткое замыкание. Основной принцип обнаружения тока к.з., который отрабатывается средствами МТЗ шахтных участковых сетей (УМЗ, ПМЗ и др.), состоит в контроле величины тока в присоединении и сравнении этого тока с заранее заданной уставкой и дальнейшем формировании команды на отключение коммутационного аппарата в случае превышения этим током величины уставки. Однако такой принцип предполагает определенную задержку во времени при выявлении процесса к.з., что обусловлено необходимостью достижения током выбранной уставки. Кроме того, не исключена вероятность ошибки персонала при расчете и настройке уставок срабатывания средств максимальной токовой защиты. Поэтому практический интерес представляет исследование характера переходного процесса при возникновении режима к.з. с целью выявления параметров, сопровождающих короткое замыкание в присоединении с активно-индуктивной нагрузкой (питающий трансформатор, кабельная сеть, асинхронный двигатель), и обоснование средства автоматической защиты от токов к.з. с функцией ускоренного срабатывания, построенного на автономном принципе обнаружения аварийного процесса без вмешательства обслуживающего персонала.

Исследование процессов в электротехническом комплексе в состоянии трехфазного короткого замыкания может быть выполнено средствами компьютерного моделирования с учётом следующих допущений: в исходном состоянии в электросети действует трёхфазная система номинальных напряжений промышленной частоты; короткое замыкание – трёхфазное, симметричное; место возникновения – гибкий кабель присоединения асинхронного двигателя к пускателю.

С учётом существующих тенденций построения схем электроснабжения технологических участков угольных шахт для исследования принимаем ЭТК, состоящий из следующих элементов: трансформаторная подстанция КТПВ-630; гибкий кабель КГЭШ 3×70 длиной 200 м (к.з. происходит в середине кабеля); магистральный кабель марки ЭВБВ 3×120 длиной 10 м с паспортными параметрами активных и индуктивных сопротивлений проводников при величине номинального линейного действующего напряжения сети 660 В.

В результате выполненных исследований компьютерной модели шахтной участковой электросети (рис. 1 – 3) установлен характер изменения тока к.з. с учётом конкретных параметров сети. Переходный процесс сопровождается возникновением апериодической составляющей тока короткого замыкания на начальном этапе существования аварийного состояния, обусловленной наличием активно - индуктивных сопротивлений от питающей трансформаторной подстанции до места замыкания.

Рисунок 1 – Переходный процесс трехфазного короткого замыкания, фаза А

Рисунок 2 – Переходный процесс трехфазного короткого замыкания, фаза Б

Рисунок 3 – Переходный процесс трехфазного короткого замыкания, фаза С

Принципиально важным является обоснование автономного принципа выявления состояния короткого замыкания на начальном этапе его существования с целью построения МТЗ повышенного быстродействия. Выявление начала режима к.з. в участковом электротехническом комплексе может быть основано на определении наличия апериодической составляющей тока, т.е. на контроле несимметрии полного тока короткого замыкания относительно оси времени. В частности, примером технической реализации этого принципа может служить схема, представленная на рис. 4.

Рисунок 4 – Схема средства автоматического защиты от короткого замыкания с функцией ускоренного срабатывания

При наличии напряжения в сети сигналы от датчиков тока ТА1-ТА3 через делитель напряжения RP подаются на аналогово-цифровой преобразователь. Полученный сигнал поступает в блок ввода - вывода информации микроконтроллера (DD1), который производит обработку данных в соответствии с алгоритмом работы (рис. 5) и, в случае возникновения короткого замыкания, передает сигнал об аварийной ситуации в блок управления VT, который отключает коммутационный аппарат аварийного присоединения, а также в блок световой индикации HL.

Принцип действия основан на контроле длительности интервалов несовпадения выходных импульсов датчиков тока U1 – U3 и дополнительных последовательностей импульсов U4 – U6, сформированных микропроцессорной системой контроля. В нормальном режиме электропитания продолжительность и скважность каждого из этих импульсов составляет π радиан, а фазовый сдвиг между импульсами двух смежных фаз – π/3 рад. При несовпадение входных импульсов и дополнительных импульсов соответствующих фаз (U1 и U4; U2 и U5; U3 и U6) формируются сигналы U7 - U9. Продолжительность каждого из этих сигналов составляет разницу между длительностью импульсов при нормальном режиме электропитания и фактически существующих импульсов, поступающих от датчиков тока.

В момент времени КЗ происходит короткое замыкание в питающем кабеле электросети. Длительность и скважность импульсов U1, U2, U3 изменяется, что обусловлено наличием апериодической составляющей тока к.з. и, соответственно, несимметрией полного тока. Это приводит к формированию сигналов U7 - U9 и появлению импульса на выходе (сигнал U10), поступающего на исполнительное устройство, коммутирующее цепи управления силовым коммутационным аппаратом, выполняющим быстродействующее защитное отключение напряжения питания.

Рисунок 5 – Алгоритм работы средства автоматического защиты от короткого замыкания с функцией ускоренного срабатывания

Таким образом, предложенная компьютерная модель и обоснованные допущения позволили установить характер изменения параметров тока короткого замыкания, состоящего из периодической и апериодической составляющих. Несимметрия полного тока к.з. относительно оси времени (обусловлена наличием апериодической составляющей) однозначно свидетельствует о начальном этапе существования режима короткого замыкания в ЭТК участка шахты. Обоснован алгоритм работы и схема устройства автоматической защиты от токов короткого замыкания с функцией ускоренного срабатывания, работа которого основана на контроле указанного параметра.

Список использованной литературы

1. Справочник энергетика угольной шахты / [Дзюбан В.С., Ширнин И.Г., Ванеев Б.Н., Гостищев В.М.]; под общ. ред. Ванеева Б.Н. – [2-е изд.] – Донецк, ООО «Юго-Восток Ltd.», 2001 – Т2, - С. 404-418.
2. Переходные процессы в системах электроснабжения: учебник [для студентов высших учебных заведений]/[Пивняк Г.Г., Винославский В.Н., Рыбалко А.Я., Незен Л.И.]; под ред. академика НАН Украины Пивняка Г.Г. - [3-е изд.]. - М. Энергоатомиздат; Днепропетровск. НГУ, 2003.- 548 с.
3. Муравьев В.П. Расчет электрических сетей угольных предприятий / В.П. Муравьев. – М.: изд- во «Надра», 1975. - 184 с. 4. Маренич К.М. Електрообладнання технологічних установок гірничих підприємств: підручник [для студентів вищих навч. закл.] / К.М. Маренич, В.В. Калінін, Ю.В. Товстик;І.Я Лізан, В.В. Коломієць. – Донецьк: ДонНТУ, Харків: УІПА, 2009. – 372 с.