Визначення терміну проходження струмом двох фіксованих рівнів як спосіб прискорення функції максимального струмового захисту

Досліджені і проаналізовані параметри електричної мережі при виникненні трифазного короткого замикання в електротехнічному комплексі шахтної дільниці, визначений можливий інформаційний параметр, що дозволятиме підвищити швидкодію виявлення процесу короткого замикання.

Ключові слова: шахта, електротехнічний комплекс, коротке замыкання, електричний струм, параметр, вимірювання, пристрій захисту.

Загальна постановка проблеми.

Коротке замикання – один з найбільш небезпечних процесів, який може виникати під час експлуатації електротехнічного устаткування. Підвищення потужності споживачів обумовлює необхідність: застосування обладнання з більш низькими величинами опорів (трансформатори підвищеної потужності, кабелі підвищеного перерізу), запровадження в електромережах напруги наступного за величиною номінального рівня (1140 В у порівнянні з 660 В). Все це обумовлює підвищення струмів короткого замикання і, як наслідок, збільшення термічного навантаження на елементи ланцюга проходження струму к. з. Отже, умовою запобігання спалаху ушкодженого електроустаткування є підвищення швидкодії визначення стану к. з. і знеструмлення силового приєднання. Тому задача підвищення швидкодії виявлення стану короткого замикання є актуальною.

Постановка задачі дослідження.

Існуючі засоби максимального струмового захисту (МСЗ), якими комплектується рудникова силова комутаційна апаратура. Функціонують на основі порівняння фактичного струму в захищаємо му приєднання з уставкою (завданою максимально припустимою величиною струму) [1]. В цьому разі спрацьовування МСЗ супроводжується затримкою в у часі, що обумовлена тривалістю досягнення струмом приєднання обраної уставки спрацьовування захисту. Крім того, не виключена ймовірність похибки персоналу при розрахунку або встановлення уставки спрацьовування захисту. Поряд з цим, параметрами, якими супроводжується коротке замикання в приєднанні з активно-індуктивним (кабельна мережа, асинхронний двигун) навантаженням є швидкість збільшення струму і суттєве зменшення фазового кута φ між струмом та напругою відповідної фази [2]. Тому практичний інтерес являє дослідження характеру зміни цих параметрів в умовах експлуатації шахтних дільничних електротехнічних комплексів з метою уточнення діапазону зміни їхніх величин (у залежності від реальних факторів впливу) та обґрунтування способу підвищення швидкодії виявлення режиму (стану короткого замикання).

Основний матеріал дослідження.

Дослідження особливостей зміни інформаційних параметрів, що характеризують виникнення процесу короткого замикання в приєднання шахтного дільничного електротехнічного комплексу доцільно виконувати, використовуючи схему заміщення (рис. 1). Вона узгоджується з принциповими положеннями у відношення подібних об’єктів [2] і найбільш повно враховує активно-індуктивні параметри трансформатора підстанції електроживлення, кабельної мережі до та після точки к. з., асинхронного двигуна (АД) споживача, включаючи його фазні ЕРС обертання. Останнє, зокрема, дозволяє врахувати дію зворотних енергетичних потоків асинхронного двигуна на точку к. з., що дозволяє виконати комплексне дослідження процеса з урахуванням всіх можливих факторів впливу.

На схемі вказані: e_A, e_B, e_C – миттєві значення фазних напруг на виході трансформаторної підстанції; активні опори R_тр; R_мк та індуктивності L_тр; L_мк, відповідно, трансформатора підстанції живлення та магістрального кабеля; активні опори R_к1.1; R_к1.2 та індуктивності L_к1.1; L_к1.2, відповідно, ділянок гнучкого кабеля до та після точки к. з.; e_vA, e_vB, e_vC – миттєві значення ЕРС обертання асинхронного двигуна (АД); i_1A, i_1B, i_1C та i_2A, i_2B, i_2C – миттєві значення фазних струмів, обумовлених, відповідно, напругою мережі та ЕРС обертання АД.

Таким чином, розрахункова схема силового приєднання дільничного електротехнічного комплексу в стані короткого замикання має структуру, відповідно до рис. 2 і передбачає наявність двох струмів до точки к. з.: з боку комплектної трансформаторної підстанції (КТП) та струм з боку статора асинхронного двигуна споживача аварійного приєднання. Ознакою перехідного процесу виникнення короткого замикання в мережі з активними (R) та індуктивними (L) елементами (струм з боку КТП) є наявність аперіодичної i_а і періодичної i_п складових струму к. з. i_к:

де I_п – діюче значення періодичної складової струму к. з.; i_а0 – аперіодична складова струму к. з. у початковий момент виникнення; ω = 2πƒ – кутова частота; φ – кут фазового зсуву струму в ланцюзі к. з.; α_к – фаза включення к. з.; Т_а – постійна часу ланцюга к. з.; ƒ – частота мережі.

Зворотний струм від АД на ділянці між статором двигуна і точкою к. з. обумовлюється зворотною ЕРС обертання асинхронного двигуна:

де L₀ – індуктивність головного потоку АД; L_r – повна індуктивність ротора; s и ω₀ – ковзання та синхронна частота обертання ротора.

Постійна затухання вільного струму ротора, що обумовлює характер зменшення ЕРС обертання АД, визначається виразом:

де U_ф – фазна напруга статора двигуна в режимі неробочого ходу; K_н = 1,1 (для АД з повітряним охолодженням) – коефіцієнт, що враховує насичення магнітної системи АД; I₀ – струм неробочого ходу АД.

Дослідження процесів в даній схемі може бути виконане засобами комп’ютерного моделювання з урахуванням припущень, що у вихідному стані в електромережі діє трифазна система номінальних напруг (e_A, e_B, e_C) промислової частоти; АД споживача навантажений номінальним моментом опору; коротке замикання в гнучкому кабелі трифазне, симетричне.

Практичний інтерес являє визначення величин фазового кута φ між струмом та напругою відповідної фази і швидкості збільшення струму в процесі при варіюванні довжини гнучкого кабеля до точки замикання з урахуванням параметрів опору вторинної обмотки трансформатора підстанції живлення типу КТПВ конкретної потужності та гнучкого кабелю марки КГЕШ відповідного перерізу при величині номінальної лінійної діючої напруги мережі 660 В та 1140 В.

З урахуванням існуючих тенденцій облаштування схем електропостачання технологічних дільниць вугільних шахт, для дослідження є припустимим прийняти: підстанції КТПВ-1000 та КТПВ-630; гнучкі кабелі КГЕШ 3×70, КГЕШ 3×50, КГЕШ 3×35, довжина яких до точки короткого замикання змінюється від 1 м до 300 м; магістральний кабель марки ЕВТ 3×120 довжиною 10 м з паспортними параметрами активних і індуктивних опорів провідників [3].

Результати комп’ютерного моделювання (рис. 3; рис. 4) дають реальне уявлення про характер зміни параметрів к. з. з урахуванням конкретних параметрів мережі і дозволяє зробити висновок про прийнятність використання di/dt у якості інформаційного про початок короткого замикання з урахуванням конкретного діапазону величин цього параметру за умови: φ_min<φ<φ_max.

Моделюванням встановлено, що із збільшенням довжини ділянки кабеля до точки короткого замикання кут φ зсуву струму відносно фазної напруги експоненційно зменшується (що пояснюється збільшенням співвідношення активний опір/індуктивність ділянки мережі до точки к. з.). Попереднє значення φ є залежним від параметрів застосованої підстанції та магістрального кабелю. На рисунку 5 наведені діаграми зміни швидкості збільшення струму (А/с), що відповідає фазовому куту φ при варіюванні довжини гнучкого кабеля до точки замикання з урахуванням застосування кабелів різних перерізів.

Із зменшенням довжини гнучкого кабеля точки к. з. відповідно зменшуються струмообмежуючі властивості мережі, що призводить до підвищення параметра di/dt, супроводжуваному підвищенням фазового кута φ. Останнє пояснюється значним зменшенням співвідношення активний опір/індуктивність короткозамкненої ділянки з наближенням точки к. з. до затисків трансформаторної підстанції електроживлення.

Виявлння початку к. з. в дільничному електротехнічному комплексі може бути основано на визначенні параметрів di/dt та φ, а також, їх співвідношення, що пояснюється рис. 6 і рис. 7 [4]. Зокрема, виявлення малої величини кута φ може бути виконано в результаті зіставлення часового інтервалу півхвилі напруги, пропорційної фазному струму (U4) і часового інтервала існування імпульсу обмеженої тривалості (U3), сформованого в момент початку півхвилі напруги тієї ж фази і полярності. Спів падіння у часі імпульсів U4 і U3 (імпульс U5) засвідчуватиме про не нормально низьку величину фазового кута φ і може розглядатися як умова виміру параметра di/dt на фіксованому інтервалі часу (імпульс U6, сформований переднім фронтом імпульсу U5). Велике значення парамеитра di/dt на интервалі імпульсу U6 (що співпадає з малою величиною фазового кута φ) засвідчуватиме про початок режиму к. з.

Визначення величини параметру di/dt може бути виконано на основі контроля часового проміжку проходження напругою, пропорційною фазному струму (миттєве значення) захищаємої мережі двох віддалених рівнів U_оп1 та U_оп2 (рис. 7). Підвищена інтенсивність зростання струму відповідає спів падінню у часі інтервалів існування імпульсу U9 (перевищення напругою U7, пропорційною струму мережя, порогового рівня Uоп2) та імпульса U11 обмеженої тривалості, сформованого в момент рівності напруг U7 і U_оп1.

Висновки.

Запропонована розрахункова схема і обгрунтовані припущення дозволили в результаті комп’ютерного моделювання встановити характер зміни швидкості збільшення струму короткого замикання і фазового кута між струмом к. з. і напругою відповідної фази з урахуванням параметрів опорів елементів електротехнічного комплексу технологічної дільниці шахти. Інформаційним параметром початку процеса короткого замикання може вважатися спів падіння параметрів di/dt та φ в певних діапазонах величин. Запропонований спосіб виявлення величини вказаних параметрів.

Перелік використаних джерел

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. Защита подземных электрических установок угольных шахт / Риман Я. С. – М.: Недра, 1977. – 206 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. – 371 с.
5. Патент на корисну модель 50773 (UA), МПК (2009) Н02Н3/00 Спосіб захисту від струмів короткого замикання в мережі живлення асинхронного двигуна / К. М. Маренич, І. В. Ковальова, u 14.12.2009. Опубл. 25.06.2010. Бюл. № 12.