ОБ ОСОБЕННОСТЯХ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В НИЗКОВОЛЬТНОЙ УЧАСТКОВОЙ ШАХТНОЙ СЕТИ

Кабели участковой сети являются наиболее уязвимым местом всей системы электроснабжения шахты.

Вся рудничная электроаппаратура размещена в специальных оболочках, которые надежно защищают ее от любых механических воздействий. Но кабели, которые эксплуатируются в шахтных электрических сетях, недостаточно защищены от повреждений при перемещении забойного оборудования, обрушениях породы или пачек угля. Повреждение изоляции кабеля приводит к возникновению междуфазных утечек, которые перерастают в токи короткого замыкания (к. з.) [1].

Практика эксплуатации показывает, что короткие замыкания являются причиной более половины пожаров на шахтах [2]. Экзогенный пожар, представляющий опасность для людей и приносящий значительный материальный ущерб, может привести к воспламенению метано-воздушной смеси или угольной пыли [3].

Необходимость недопущения возникновения пожара или взрыва, а также защиты электрических установок от экстратоков привела к разработке аппаратуры для защиты участковых сетей от токов к.з.

Правила безопасности [4] требуют наличия в каждом распределительном устройстве подземной электрической сети средств защиты от токов к. з. В настоящее время защита шахтных участковых сетей от коротких замыканий осуществляется установкой максимальной токовой защиты в рудничных автоматических выключателях (АВ) и распределительных устройствах низшего напряжения (РУНН) трансформаторных подстанций (ТП), а также в рудничных магнитных пускателях (МП) (рисунок 1). Основным аппаратом для защиты подземных электрических сетей напряжением до 1140 В являются рудничные автоматические выключатели. Время срабатывания данных защитных устройств при к. з. находится в пределах 5 — 20 мс.

На практике в зависимости от быстродействия срабатывания АВ и времени отпускания электромагнита контактора МП имеют место следующие случаи отключения токов к. з.:

• срабатывает АВ, контактор МП остается во включенном состоянии;
• отключается МП, АВ остается включенным;
• короткое замыкание отключается и автоматическим выключателем и пускателем.

При возникновении режима к. з. существующей продолжительности аварийного тока, которая обусловлена быстродействием срабатывания защитного устройства, бывает достаточно, чтобы воспламенить и взорвать метано-воздушную смесь достаточного уровня концентрации.

При моделировании к. з. в шахтной участковой сети необходимо учитывать влияние на аварийные токи присоединенной нагрузки (как правило — асинхронных двигателей (АД)). В случае к. з. автоматический выключатель отключит поврежденный участок от трансформаторной подстанции, но ротор АД по инерции продолжает вращаться, в обмотках статора наводится ЭДС, машина переходит в генераторный режим и по поврежденному участку кабеля продолжает протекать ток. Данное явление весьма опасно с точки зрения пожаро- и взрывобезопасности.

На рисунке 2 приведена схема замещения простейшей участковой сети при двухфазном металлическом (переходное сопротивление в месте к. з. равно нулю) к. з. в сети с присоединенной нагрузкой [1].

При этом приняты следующие обозначения:

• — ЭДС фаз трансформатора;
• — токи фаз трансформатора;
• — полное сопротивление фазы трансформатора;
• — полное сопротивление фазы кабельной линии;
• — полное сопротивление фазы нагрузки.

Протекание токов к. з. в низковольтной участковой шахтной сети — достаточно сложный и многофакторный процесс, поскольку определяется совместным действием ТП, совокупности АД, генерирующих ЭДС вращения, пускателей, которые находятся некоторое время во включенном состоянии.

Процессы, происходящие в участковой сети при коротком замыкании, могут быть исследованы средствами компьютерного моделирования. Воспользуемся расширением Simulink системы MATLAB. За основу для компьютерной модели взята схема замещения, изображенная на рисунке 2. На рисунке 3 представлена соответствующая Simulink-модель, состоящая из следующих частей:

• вторичная обмотка рудничной трансформаторной подстанции (ТП) ТСВП-400/6 ( Ом, Ом);
• кабельная линия длиной 300 м (кабель КГЭШ, сечение 95 мм2, Ом/км, Гн/км, Ф/км);
• асинхронный двигатель (4ЭДКО4-110, В, %, Ом, Ом, Ом);
• автоматический выключатель ( мс).

Моделирование выполнялось при к. з. между фазами А и В в точках а, b, c линии (рисунок 3) в момент времени с от начала моделирования. Через 10 мс (с) сработал автоматический выключатель, отключив поврежденную линию от ТП.

Были получены следующие кривые во временной области:

• ток в точке к. з. (рисунок 4), измерен амперметром при повреждении кабеля в точке а (на рисунке 4 кривая 1), — в точке b (кривая 2), — в точке с (кривая 3);
  

  Рисунок 4 — Кривые изменения тока в точке к. з.

• ток фазы А на выходном зажиме автоматического выключателя (рисунок 5), измерен амперметрами , , при к. з. в точках а, b, c соответственно (кривые 1, 2, 3);
  

  Рисунок 5 — Кривые изменения тока фазы А автоматического выключателя.

• ток фазы А на участке кабельной линии, который непосредственно примыкает к точке к. з. со стороны нагрузки (рисунок 6) — показания приборов , , (кривые 1, 2, 3), кривая 4 — нормальный режим;
  

  Рисунок 6 — Кривые изменения тока на участке кабельной линии, который непосредственно примыкает к точке короткого замыкания.

• ЭДС между фазами А и В статора асинхронного двигателя (рисунок 7), измерена вольтметром при к. з. в точках а, b, c линии (кривые 1, 2, 3 соответственно), кривая 4 — нормальный режим.
  

  Рисунок 7 — Кривые изменения ЭДС статора присоединенного АД.

По полученным кривым было установлено следующее.

1. Амплитуда тока, протекающего в точке к. з. до срабатывания защиты, обратно пропорциональна удаленности места повреждения от ТП. Из рисунка 4 видно, что при коротком замыкании в точке а, удаленной от ТП на 100м, амплитудное значение аварийного тока составило 13кА, в точке b (200м) — 8,3 кА, в точке с (300м) — 6,2 кА.
2. Ток, протекающий в месте металлического двухфазного к. з., складывается из аварийного тока трансформатора и тока, обусловленного ЭДС вращения АД. Это следует из сопоставления кривых, представленных на рисунках 4, 5, 6. Например, в момент времени с при замыкании в точке а ток в месте к. з. кА, линейный ток фазы А трансформаторной подстанции кА, а ток, обусловленный ЭДС самоиндукции АД, кА (на рисунке 6 мгновенное значение этого тока отрицательно, поскольку ток через амперметр протекает в обратном направлении — от нагрузки к точке к. з.). Соотношение ; 13=12,5+0,5 кА выполняется.
3. После отключения АВ (c) ток на выходных клеммах выключателя падает до нуля (рисунок 5), а кривая тока, обусловленного влиянием нагрузки (рисунок 6), имеет всплеск (до 90А при замыкании в точке с) и далее данный ток апериодически убывает, становясь пренебрежимо малым лишь в момент времени c, т.е. через 30мс после срабатывания защиты.

Таким образом, средства защиты от коротких замыканий, применяемые в настоящее время на шахтах, не решают полностью задачу недопущения пожара или взрыва при к. з в участковой сети. Требуются углубленные исследования аварийных режимов в низковольтных подземных электрических сетях при междуфазных к. з.

Перечень ссылок

1. Риман Я.С. Защита шахтных участковых сетей от токов короткого замыкания. 2-е изд., перераб и доп. — М., Недра, 1985. — 88с.
2. Полесин Я.Л. Причины аварий и травматизма в горной промышленности. — М., Недра, 1969. — 174с.
3. Сычев Л.И., Реут Л.З. Шахтные гибкие кабели. — М., Недра, 1972. — 192с.
4. Правила безопасности в угольных шахтах. ДНАОП-1.1.30-1.01-96. — Киев, 1996. — 421с.