/
Author: Маренич К.Н.
Tags: горное дело горные предприятия (рудники, шахты, карьеры) добыча нерудных ископаемых электротехника электрооборудование монография горная промышленность
ISBN: 978-966-8248-60-3
Year: 2015
Similar
Text
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И
ПРИНЦИПЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЗАЩИТНОГО
ОБЕСТОЧИВАНИЯ РУДНИЧНЫХ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
МОНОГРАФИЯ
К.Н. Маренич
Донецкий
национальный
технический
университет
Маренич К.Н.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПРИНЦИПЫ ПРИМЕНЕНИЯ
ЗАЩИТНОГО ОБЕСТОЧИВАНИЯ РУДНИЧНЫХ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ
Монография
Донецк
ООО "Технопарк ДонГТУ "УНИТЕХ"
2015
2
УДК 622.012.2:621.316
М25
Рекомендовано к печати Ученым Советом
ГВУЗ "Донецкий национальный технический университет",
протокол No5 от 19.06.2015 г.
Рецензенты:
Колосюк В.П. – докт. техн . наук, проф.,
главный научный сотрудник Государственного Макеевского
научно-исследовательского института
по безопасности работ в горной промышленности (МакНИИ);
Шкрабец Ф.П . – докт. техн . наук, проф.,
зав. кафедрой "Восстанавливаемые источники энергии"
ГВУЗ "Национальный горный университет" (г. Днепропетровск);
Синчук О.Н . – докт. техн. наук, проф.,
зав. кафедрой "Автоматизированные электромеханические системы
в промышленности и транспорте"
ГВУЗ "Криворожский национальный университет" (г. Кривой Рог).
Маренич К.Н.
М25
Теоретические основы и принципы применения защитного обесточивания руд-
ничных электротехнических комплексов: монография / К.Н. Маренич.
–
Донецк:
ООО "Технопарк ДонГТУ "УНИТЕХ", 2015. – 234 с.
ISBN 978-966-8248-60-3
В монографии обоснован метод математического моделирования переходных
процессов в шахтном участковом электротехническом комплексе, в соответствии с
которым объект исследования представляется системой распределённых: источни-
ков энергетических потоков; сопротивлений изоляции силовых присоединений;
проводимостей в контуре "земля" и учитываются изменения конфигурации сети в
процессе и после отключения напряжения питания. Получены закономерности из-
менения электрических параметров в структурах электротехнического комплекса в
условиях воздействия переходных процессов и действия совокупности энергетиче-
ских потоков распределённых источников. Определена возможность обратных ЭДС
асинхронных двигателей поддерживать опасное состояние электросети после её за-
щитного отключения. Представлены усовершенствованные принципы построения
защит шахтного участкового электротехнического комплекса от аварийных и опас-
ных состояний. За основу принята концепция его защитного обесточивания отделе-
нием от сети всех источников энергетических потоков при применении в присоеди-
нениях статоров асинхронных двигателей измерительных и исполнительных
средств, реагирующих на повышение проводимостей в цепях "фаза-земля" кабелей
электропитания.
Монография предназначена для научных работников, конструкторов, разработ-
чиков и производственников, работающих в области создания, модернизации и экс-
плуатации рудничного электрооборудования, может быть использована в качестве
учебного пособия аспирантами при исследовании процессов в промышленных элек-
тротехнических комплексах; студентами при изучении соответствующих разделов
дисциплины "Электрооборудование и электроснабжение горных предприятий".
УДК 622.012.2:621.316
ISBN 978-966 -8248-60 -3
© К.Н. Маренич, 2015
3
СОДЕРЖАНИЕ
Введение .......................................................................................... 7
1 Общий анализ аварийных и опасных состояний элек-
трооборудования технологических комплексов шахты и
свойств средств защиты .............................................................. 9
1.1 Электротехнический комплекс технологического участ-
ка угольной шахты как объект исследования ..........................
1.2 Асинхронные двигатели потребителей как источник об-
ратных энергетических потоков................................................
1.3 Междуфазные короткие замыкания как факторы опасно-
сти эксплуатации шахтных участковых электротехнических
комплексов ..................................................................................
1.4 Силовая электросеть шахтного участкового электротех-
нического комплекса как источник опасности электропора-
жения человека ...........................................................................
1.5 Устройство и диалектика усовершенствования средств
защиты от утечек тока на землю ...............................................
1.5 .1 Принципы определения наличия цепи утечки тока на
землю ...........................................................................................
1.5 .2 Устройство и свойства устройств автоматической ком-
пенсации ёмкости изоляции сети ..............................................
1.5 .3 Автоматическое закорачивание повреждённой фазы
как способ ускорения обесточивания цепи утечки тока на
землю ...........................................................................................
1.5 .4 Применение микропроцессорной схемотехники как
средство повышения функциональных свойств устройств
защиты от утечек тока на землю ...............................................
1.5 .5 Проблематика обеспечения электробезопасности экс-
плуатации комбинированных сетей шахтных участковых
электротехнических комплексов...............................................
1.5 .6 Схемные отличия устройства защиты от утечек тока на
землю в электрической сети номинального напряжения
3300 В ..........................................................................................
1.6 Свойства устройств токовой защиты электротехниче-
ских комплексов шахтных участков и средств токоограни-
чения при аварийных состояниях .............................................
1.6 .1 Свойства средств максимальной токовой защиты элек-
тросетей шахтных участков.......................................................
9
19
25
33
39
39
45
47
49
51
66
69
69
4
1.6 .2 Защитная функция гибких кабелей с параметрами
взрывобезопасности ...................................................................
1.6.3 Устройство и проблематика применения системы опе-
режающей защиты рудничных электроустановок ..................
71
75
2 Совершенствование методов математического модели-
рования в контексте исследования переходных процессов
при коммутации силовых присоединений участкового
электротехнического комплекса шахты .................................. 81
2.1 Определение особенностей воздействия коммутацион-
ного переходного процесса на величины электрических па-
раметров электротехнического комплекса как актуальная
задача совершенствования методики исследования его ди-
намических состояний...............................................................
2.2 Участковый электротехнический комплекс шахты в ус-
ловиях воздействия контакторной коммутации в контексте
определения состояний его структурных составляющих ме-
тодами математического моделирования.................................
2.3 Обобщение результатов исследования свойств контак-
торной коммутации силового присоединения .........................
2.4 Динамические процессы в шахтном участковом электро-
техническом комплексе при применении полупроводнико-
вых устройств регулируемой коммутации силовых присое-
динений .......................................................................................
2.4.1 Анализ функционирования средств защитного отклю-
чения цепи утечки тока на землю в условиях применения
устройств регулируемой коммутации асинхронных двигате-
лей потребителей ........................................................................
2.4.2 Анализ функционирования системы "тиристорный ре-
гулятор напряжения – асинхронный двигатель" в контексте
определения условий нарушения стабильности её парамет-
ров ................................................................................................
2.4.3 Обоснование рационального способа технической реа-
лизации принципа регулируемой коммутации силового при-
соединения электротехнического комплекса участка.............
2.5 Определение параметров фильтра реагирующего органа
защитного устройства в условиях воздействия коммутаци-
онных процессов как пример применения усовершенство-
ванных методов моделирования ...............................................
81
85
96
101
101
102
114
116
5
3 Обратные энергетические потоки асинхронных двига-
телей как фактор повышения опасности электропораже-
ния в условиях эксплуатации шахтных участковых элек-
тротехнических комплексов ....................................................... 121
3.1 Общая характеристика опасности электропоражения от
обратной ЭДС асинхронного двигателя ..................................
3.2 Принципы моделирования электротехнического ком-
плекса в контексте определения воздействия обратного
энергетического потока асинхронных двигателей на цепь
утечки тока на землю .................................................................
3.3 Анализ свойств обратных энергетических потоков отно-
сительно формирования электропоражающего фактора по-
сле отключения напряжения питания участковой электросе-
ти ..................................................................................................
3.4 Обобщение функции воздействия обратных энергетиче-
ских потоков асинхронных двигателей на состояние элек-
тробезопасности с учётом параметров и условий эксплуата-
ции электротехнического комплекса ........................................
121
126
141
151
4 Автоматическое двустороннее обесточивание шахтного
участкового электротехнического комплекса как направ-
ление повышения эффективности его защиты от аварий-
ных и опасных состояний ............................................................ 158
4.1 Обратная ЭДС асинхронного двигателя как фактор воз-
действия на место междуфазной повышенной проводимости
после защитного отключения сети ...........................................
4.2 Анализ процессов в электромеханической системе "си-
ловое присоединение – асинхронный двигатель" в контексте
поиска информационного сигнала о начале опасного со-
стояния.........................................................................................
4.3 Принципы определения состояния кабеля питания асин-
хронного двигателя автономными техническими средствами
схемы присоединения обмотки статора ...................................
4.4 Воздействие коммутационного переходного процесса на
параметры срабатывания устройства защитного обесточи-
вания участковой электросети...................................................
4.5 Сопоставление технических свойств средств подавления
воздействия обратных ЭДС асинхронных двигателей ..........
158
163
168
181
185
6
5 Техническая реализация средств усовершенствования
защиты электрооборудования шахт от аварийных и опас-
ных состояний................................................................................ 188
5.1 Обоснование принципов ускорения выявления коротко-
го замыкания средствами максимальной токовой защиты.....
5.2 Двустороннее обесточивание сети при возникновении
междуфазного дугообразования в кабеле питания асинхрон-
ного двигателя ............................................................................
5.3 Принудительное отключение контактора пускателя как
дополнительное средство повышения безопасности экс-
плуатации электрооборудования ..............................................
5.4 Электробезопасность эксплуатации двухскоростного
асинхронного двигателя.............................................................
5.5 Техническая реализация принципа токоограничения при
отключении сети в режиме короткого замыкания ..................
5.6 Обобщение принципов применения автоматического
защитного двустороннего обесточивания шахтной участко-
вой электросети ..........................................................................
Выводы ...........................................................................................
188
197
201
204
211
213
216
Перечень ссылок ............................................................................. 220
7
ВВЕДЕНИЕ
Значительная составляющая энергоёмких производств в про-
мышленном секторе экономики государства обусловливает необхо-
димость наличия соответствующих энергетических ресурсов, важ-
нейшим из которых является каменный уголь. Поэтому угольная
промышленность является стратегической отраслью, что определяет
энергетическую независимость и самодостаточность страны.
Современной тенденцией является повышение мощности элек-
тромеханического оборудования технологических установок горных
предприятий, что обусловливает применение более мощных привод-
ных асинхронных двигателей (АД), комплектных трансформаторных
подстанций (КТП), кабелей больших сечений и длин, перевод участ-
ковых электросетей на повышенные уровни номинального напряже-
ния (1140 В; 3300 В). Всё это предполагает увеличение мощностей
обратных энергетических потоков в рудничных участковых электро-
технических комплексах (ЭТК), следствием чего является увеличение
параметров опасности (величина тока и его продолжительность) в
цепях междуфазного короткого замыкания, дугообразования, а также
в цепи утечки тока на землю. Широкое применение гибких кабелей (с
ограниченными параметрами механической прочности) для электро-
питания нестационарного оборудования в условиях шахты обуслов-
ливает высокую вероятность возникновения указанных аварийных и
опасных состояний.
Структура шахтных участковых ЭТК подчинена общему прин-
ципу, в соответствии с которым напряжение высокого уровня преоб-
разуется до уровня номинального напряжения участковой сети непо-
средственно в месте расположения распределительного пункта и по-
даётся к АД потребителей посредством кабельных линий, подклю-
ченных по радиальной схеме и коммутируемых контакторами пуска-
телей либо полупроводниковыми регуляторами. При этом, в случае
возникновения аварийного или опасного состояния функция уст-
ройств токовой защиты и защиты от утечек тока на землю состоит в
отделении энергетического потока КТП от сети ЭТК, что представля-
ет собой защитное отключение напряжения питания.
Практика эксплуатации свидетельствует, что защитное действие
указанных устройств не является достаточным, поскольку состояние
сети участкового ЭТК шахты после отключения напряжения питания
некоторое время определяется параметрами обратных энергетических
8
потоков АД потребителей. Это обусловливает целесообразность при-
менения автоматического защитного двустороннего обесточивания
электросети, что требует дополнительных исследований и преду-
сматривает совершенствование структуры схемы электротехническо-
го комплекса шахтного участка.
В частности, научную и практическую ценность имеют исследо-
вания параметров защитных устройств в условиях воздействия пере-
ходных процессов при коммутации присоединений с повышенными
уровнями ёмкости изоляции в контексте определения вероятности и
противодействия ложному срабатыванию защиты. В то же время, в
условиях применения высокомощных технологических установок
характерным признаком аварийных состояний шахтных участковых
ЭТК становится ускорение достижения током сети такой величины,
которая представляет опасность электропоражения или воспламене-
ния оборудования. Этим обусловлена научная и практическая акту-
альность развития теории и принципов построения средств ускорения
защитного обесточивания современных рудничных электротехниче-
ских комплексов. Результаты соответствующих исследований пред-
ставлены в данной монографии.
Основой монографии является диссертация "Развитие теории и
принципов построения средств защитного обесточивания современ-
ных рудничных электротехнических комплексов" на соискание учё-
ной степени доктора технических наук (защищена 22.04.2014 г.) [1].
Как автор, я выражаю искреннюю благодарность научному консуль-
танту, д.т .н ., профессору Сивокобыленко Виталию Фёдоровичу, а
также к.т.н ., доценту Дубинину Сергею Васильевичу и своим уче-
никам, кандидатам технических наук: доценту Васильцу Святославу
Владимировичу, Ковалёвой Инне Владимировне, Руссияну Ста-
ниславу Анатольевичу за плодотворное сотрудничество при реше-
нии актуальных задач в контексте представленной проблематики.
Профессор, д.т.н . К .Н. Маренич
9
РАЗДЕЛ 1
ОБЩИЙ АНАЛИЗ АВАРИЙНЫХ И ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ КОМ-
ПЛЕКСОВ ШАХТЫ И СВОЙСТВ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ
1.1 Электротехнический комплекс шахтного технологическо-
го участка как объект исследования
Многочисленные технологии, используемые при добыче угля, его
транспортировании, подготовке и техническом сопровождении про-
изводственных процессов в шахте предполагают применение мощно-
го энергоёмкого электротехнического оборудования. Этим обуслов-
лена необходимость эксплуатации участковых электротехнических
комплексов (ЭТК) в качестве технических средств, которые должны
обеспечивать:
-
электроснабжение потребителей участка трёхфазным напряже-
нием, величина и частота которого соответствуют техническим усло-
виям работы электродвигателей технологических установок;
-
безопасные по фактору электротравматизма условия эксплуата-
ции электротехнического и электромеханического оборудования;
-
автоматическое защитное отключение силовых присоединений
участка при возникновении аварийных состояний;
-
недопущение включения коммутационного аппарата при по-
вреждении изоляции его силового присоединения.
Этим функциональным свойствам соответствует типовая струк-
тура электротехнического комплекса технологического участка шах-
ты (рис. 1 .1), которая согласуется с положениями нормативных доку-
ментов [2-5] и включает структурные составляющие в совокупности
их функциональных связей, предназначенные для выполнения ком-
мутационных, распределительных и защитных функций [6-9]. Эта
структура содержит комплектную трансформаторную подстанцию
(КТП, рис. 1 .2), распределительный пункт участка (РП) и асинхрон-
ные двигатели (АД) потребителей. РП может быть представлен, сово-
купностью магнитных пускателей (П, рис. 1 .3), с групповым автома-
тическим выключателем (АВ, рис. 1.4) либо станцией управления
(СУ, рис. 1 .5), от которых по радиальной схеме к АД отходит сеть
гибких кабелей [10-13]. Электроснабжение РП от КТП осуществляет-
ся магистральным кабелем (МК).
10
6
к
В
К
о
м
п
л
е
к
т
н
а
я
т
р
а
н
с
ф
о
р
м
а
т
о
р
н
а
я
п
о
д
с
т
а
н
ц
и
я
АВ
п
у
с
к
а
т
е
л
и
s
o
f
t
-
s
t
a
r
t
А
П
Ш
МСЗ
АЗ
А
В
А
с
и
н
х
р
о
н
н
ы
е
д
в
и
г
а
т
е
л
и
п
о
т
р
е
б
и
т
е
л
я
п
о
т
р
е
б
и
т
е
л
е
й
н
а
п
р
я
ж
е
н
и
я
1
2
7
В
А
З
П
р
е
о
б
р
а
з
о
в
а
н
и
е
н
а
п
р
я
ж
е
н
и
я
6
к
В
д
о
у
р
о
в
н
я
н
о
м
и
н
а
л
ь
н
о
г
о
н
а
п
р
я
ж
е
н
и
я
п
о
т
р
е
б
и
т
е
л
е
й
П
и
т
а
н
и
е
п
о
т
р
е
б
и
т
е
-
л
е
й
н
а
п
р
я
ж
.
1
2
7
В
,
и
х
м
а
к
с
и
м
а
л
ь
н
а
я
т
о
к
о
-
в
а
я
з
а
щ
и
т
а
;
з
а
щ
и
т
а
о
т
у
т
е
ч
е
к
т
о
к
а
н
а
з
е
-
м
л
ю
в
с
е
т
и
1
2
7
В
П
л
а
в
н
ы
е
п
у
с
к
и
о
с
-
т
а
н
о
в
к
а
А
Л
,
п
л
а
в
-
н
ы
й
п
у
с
к
А
Д
с
п
р
е
-
д
в
а
р
и
т
е
л
ь
н
ы
м
р
ы
в
-
к
о
м
А
в
т
о
м
а
т
и
ч
е
с
к
о
е
з
а
щ
и
т
н
о
е
о
т
к
л
ю
ч
е
н
и
е
п
р
и
к
о
р
о
т
к
о
м
з
а
м
ы
к
а
н
и
и
в
с
и
л
о
в
о
м
п
р
и
с
о
е
д
и
-
н
е
н
и
и
,
о
т
с
у
т
с
т
в
и
и
н
а
п
р
я
ж
е
н
и
я
в
с
е
т
и
Д
и
с
т
а
н
ц
и
о
н
н
о
е
к
о
н
т
а
к
т
о
р
н
о
е
в
к
л
ю
-
ч
е
н
и
е
/
о
т
к
л
ю
ч
е
н
и
е
;
п
р
е
д
в
а
р
и
т
е
л
ь
н
ы
й
к
о
н
т
р
о
л
ь
с
о
п
р
о
т
и
в
л
е
н
и
я
и
з
о
л
я
ц
и
и
с
и
л
о
в
о
г
о
п
р
и
с
о
е
д
и
н
е
н
и
я
М
а
к
с
и
м
а
л
ь
н
а
я
т
о
к
о
в
а
я
з
а
щ
и
т
а
э
л
е
к
т
р
о
о
б
о
р
у
д
о
в
а
н
и
я
у
ч
а
с
т
к
о
в
о
й
с
е
т
и
Р
и
с
у
н
о
к
1
.
1
–
С
х
е
м
а
р
а
с
п
р
е
д
е
л
е
н
и
я
ф
у
н
к
ц
и
й
м
е
ж
д
у
с
т
р
у
к
т
у
р
н
ы
м
и
с
о
с
т
а
в
л
я
ю
щ
и
м
и
Э
Т
К
ш
а
х
т
н
о
г
о
у
ч
а
с
т
к
а
В
к
л
ю
ч
е
н
и
е
/
о
т
к
л
ю
ч
е
н
и
е
в
р
у
ч
н
у
ю
;
а
в
т
о
м
а
т
и
-
ч
е
с
к
о
е
о
т
к
-
л
ю
ч
е
н
и
е
п
о
к
о
м
а
н
д
е
з
а
-
щ
и
т
З
а
щ
и
т
а
о
т
э
л
е
к
т
р
о
п
о
р
а
ж
е
н
и
я
п
р
и
э
к
с
п
л
у
а
т
а
ц
и
и
у
ч
а
с
т
к
о
в
о
й
с
е
т
и
(
в
ы
я
в
л
е
н
и
е
ц
е
п
и
у
т
е
ч
к
и
т
о
к
а
н
а
з
е
м
л
ю
,
о
г
р
а
н
и
ч
е
н
и
е
т
о
к
а
в
ц
е
п
и
у
т
е
ч
к
и
н
а
з
е
м
л
ю
)
;
п
р
е
д
в
а
р
и
т
е
л
ь
-
н
ы
й
к
о
н
т
р
о
л
ь
с
о
п
р
о
т
и
в
л
е
н
и
я
и
з
о
л
я
-
ц
и
и
с
и
л
о
в
о
г
о
п
р
и
с
о
е
д
и
н
е
н
и
я
А
З
М
Т
З
А
В
11
Тенденция относительно применения напряжения повышенного
номинального уровня (1140 В) для питания высокомощного электро-
механического оборудования обусловливает целесообразность рас-
пределения всей совокупности электропотребителей участка на две
группы: потребителей малой и средней мощности (линейное напря-
жение питания 660 В); потребителей большой мощности (линейное
напряжение питания 1140 В) и применения двух КТП на соответст-
вующие уровни вторичных напряжений [14].
Структура шахтного участкового электротехнического комплекса
даёт возможность сделать вывод о наличии потенциальных опасно-
стей взрыва метано-воздушной смеси и пожара в условиях шахты
вследствие возникновения аварийных состояний силового электро-
оборудования. Как следует из анализа аварийности на шахтах Украи-
ны (1976-2008 г.), на электрический ток как источник воспламенения
метано-воздушной смеси приходится 47,58% всех взрывов [15]. При
этом, 47,46% от всех случаев взрывов от воздействия электротока
связаны с повреждением гибких кабелей, что приводит к коротким
замыканиям или утечкам тока на землю (табл. 1 .1).
Рисунок 1.2 - Функциональная схема комплексной трансформаторной под-
станции: РУВН, РУНН – распредустройства высокого и низкого напряже-
ния; QS – разъединитель; TV1 – силовой трансформатор; TV2 – трансфор-
матор собственных нужд; ТА – датчики тока; ДТ – датчик температуры
6000 В
QS
РПВН
TV1
690 В
ДТ
ПМЗ
АЗ
TV2
РПНН
QF
FA
FV
YAT
АГЗ
ДС
Трансформаторне
відділення
SА
Трансформаторное
отделение
РУНН
РУВН
ТА
12
Р
и
с
у
н
о
к
1
.
3
-
С
х
е
м
а
м
а
г
н
и
т
н
о
г
о
п
у
с
к
а
т
е
л
я
с
е
р
и
и
П
В
И
-
3
2
0
13
Рисунок 1.4 - Схема автоматического выключателя серии АВ
распределительного пункта технологического участка шахты [6]
Рисунок 1.5 - Обобщённая структурная схема станции управления типа
СУВ-350А (СУВ-630): БП – блок питания; БДУ – блок дистанционного
управления; БКИ – Блок контроля изоляции; БТЗ – блок токовой защиты;
ДА – датчики тока; QS – разъединитель; SA – автоматический выключа-
тель; FA – электромагнитный расцепитель; FV – нулевой расцепитель;
YAT – независимый расцепитель; КМ1-КМ7 – контакторы
отходящих присоединений
QS
БЖ
SA
KМ1
ДС
FA
FV
YAT
БКІ
„ПУСК”
„СТОП”
БДУ
БСЗ
KМ7
БСЗ
ДС
KМ7.1
ТА
ТА
БП
БКИ
БТЗ
БТЗ
14
Таблица 1.1 - Причины и места искрения или дугообразования, кото-
рые привели к взрывам метано-возушной смеси [15]
No Причины искрения или дугообразования
Количество слу-
чаев в процентах
ко всем случаям
от электричества
1 Рабочее искрение на контактах пусковой аппа-
ратуры при открытых крышках или нарушении
взрывозащиты
16,95
2 Искрение в коробках вводов электрооборудова-
ния при нарушенной взрывозащите или откры-
тых вводах
22,03
3 Искрение или дуга при повреждении кабелей, в
т.ч., бронированных, гибких
32,2
4 Искрение или дуга при выдёргивании гибких ка-
белей из вводных устройств электрооборудова-
ния
5,08
5 Искрение в местах холодных счалок
3,4
6 Искрение на контактах контроллеров электрово-
зов при нарушенной взрывозащите
10,17
7 Искрение в схемах аккумуляторных батарей
электровозов
3,4
8 Искрение или короткое замыкание в кабельных
цепях электрооборудования напряжением 36 В
6,8
9 Искрение при разъединении кабельного штеп-
сельного взрывозащищённого разъёма при
включенном контакторе пускателя
1,7
Наряду с этим, характерной опасностью дугообразования в сило-
вом коммутационном аппарате следует считать вероятность прожи-
гания его взрывонепроницаемой оболочки при повышенной продол-
жительности процесса горения междуфазной дуги. Это является
следствием отсутствия реакции на междуфазное дугообразование со
стороны максимальной токовой защиты, обусловленного эффектом
токоограничения собственным сопротивлением дуги.
Итак, наиболее повреждаемым объектом рудничного электротех-
нического комплекса является гибкий кабель, в частности, при его
применении в очистном забое, т.е. в месте с высокой вероятностью
механического повреждения и возникновении опасной концентрации
15
метана. Причинами повреждения кабелей чаще всего являются выва-
лы горной массы; раздавливание машинами; внешние повреждения
резцами комбайнов, топорами, другими инструментами.
Однако сам кабель не взрывозащищён, поскольку его концы от-
крыты, и их не обходимо герметизировать вводами рудничного элек-
трооборудования (к которому подводится кабель). Поэтому взрыво-
защита кабелей обеспечивается всем комплексом мер безопасности
системы электроснабжения с учётом специфики конструкций кабель-
ных присоединений и функционирования средств защитного отклю-
чения. Это не исключает вероятности возникновения опасностей при
эксплуатации кабельной сети (табл. 1 .2, табл. 1 .3).
Таблица 1.2 - Причины воспламенения шахтных кабелей [15]
No Причины воспламенения шахтных кабелей
Кол-во воспла-
менений, %
1 Короткое замыкание в кабеле, в т.ч .:
гибкие кабели;
бронированные кабели
73,73
40,43
33,33
2 Короткое замыкание в местах подключения ка-
белей к электрооборудованию (из-за некачест-
венного присоединения)
13,14
3 Перегрузка кабеля (заниженное сечение)
4,04
4 Перегрузка кабеля (некачественный контакт в
присоединении)
3,03
5 Трение кабеля конвейерной лентой, цепью
2,02
6 Замыкание кабеля на провод контактной сети
4,04
Таблица 1.3 - Причины повреждения шахтных гибких кабелей [15]
No
Причини повреждения кабелей
Количество, %
1 Падение кусков породы
47,00
2 Неосторожная порубка топором (человеческий
фактор)
22,50
3 Раздавливание и порезы резцами машин
20,60
4 Резкие изгибы кабелей по счалкам
9,40
5 Другие причины
0,50
16
Опасность возникновения
искрения или дугообразова-
ния является функцией про-
должительности
развития
аварии (в порядке состояний:
сжатие – повреждение изо-
ляции с возникновением
утечки тока на землю – даль-
нейшее сжатие с герметиза-
цией места повреждения –
разгерметизация места по-
вреждения с выбросом разо-
гретого вещества) и зависит
от скорости и энергии тел,
повреждающих кабель (рис.
1.6; табл. 1.4).
Таблица 1.4 - Зависимость времени развития аварии
от скорости повреждения кабеля [15]
No
Вид повреждения кабеля
Время разви-
тия аварии, мс
1 Повреждение резцом комбайна
5,0-6,0
2 Повреждение кусками породы
10/0
3 Повреждение при взрывных работах
3,5
4 Повреждение стальным клином при его падении
с высоты h, м
t=h/v
5 Повреждение статической нагрузкой
>10
6 Отсечение натянутого кабеля стальным клином
5,0
Отсечение кабеля является самым опасным видом его поврежде-
ния и требует применения мер по быстродействующему обесточива-
нию. Анализ технических свойств структурных составляющих участ-
кового электротехнического комплекса (рис. 1.1-1 .5) позволяет сде-
лать следующие выводы.
Рисунок 1.6 – Зависимость времени t
развития аварии от скорости v тела,
повреждающего кабель для сечений [15]:
1–50мм
2
;1–25мм
2
;3–16мм
2
4–4мм
2
17
Трансформатор КТП является трёхфазным источником энерге-
тического потока промышленной частоты, мощность которого долж-
на превышать совокупную мощность электропотребителей участка.
Токоограничивающими факторами в схеме трансформатора КТП яв-
ляются активное (Rтр) и индуктивное (Хтр) сопротивления его вто-
ричных фазных обмоток. С целью автоматического защитного от-
ключения участковой электросети предусмотрены два автоматиче-
ских выключателя: один – в составе распределительного устройства
низкого напряжения (РУНН) КТП, другой – на вводе перед контакто-
рами схемы СУ или на входе низковольтного РП участка в случае ис-
пользования пускателей в качестве средств дистанционной коммута-
ции присоединений [12, 13, 16].
Свойства АВ относительно защитного обесточивания силовых
присоединений определены наличием соответствующих электромаг-
нитных расцепителей:
- расцепитель максимального тока (реагирование на превышение
током сети заданного максимально допустимого значения; оператив-
ное регулирование уставки срабатывания, как правило, не преду-
смотрено);
- расцепитель минимального напряжения (нулевой расцепитель -
реагирование на отсутствие напряжения в сети, либо снижение на-
пряжения до минимально допустимого уровня; может отрабатывать
команды внешних защит при условии обесточивания обмотки своего
электромагнита исполнительными реле устройств защиты);
- независимый расцепитель (реагирование на команды внешних
защит при условии подачи напряжения на обмотку электромагнита
исполнительными реле устройств защиты, блокировки).
В качестве внешних защитных и блокирующих устройств с соот-
ветствующей функцией воздействия относительно независимого и
нулевого расцепителей (применение которых является обязательным)
предусмотрены: для автоматического выключателя в составе РУНН
КТП – максимальная токовая защита с регулированием уставки сра-
батывания (ПМЗ; БТЗ и т.п .), блок контроля сопротивления изоляции
(БКИ) отходящего присоединения, аппарат защиты от утечек тока на
землю; для группового автоматического выключателя на вводе стан-
ции управления, входе РП участка – те же защиты, кроме защиты от
утечек тока на землю (за исключением отдельных случав, когда воз-
действие такой защиты на расцепители группового АВ предусмотре-
но). В качестве исполнительных устройств коммутации силовых при-
18
соединений в АВ предусмотрены силовые контактные группы, дви-
жение контактов которых отрабатывается механизмом свободного
расцепления. Дистанционная коммутация силовых присоединений
осуществляется контакторами магнитных пускателей или станций
управления. Включенное состояние контактора поддерживается в те-
чение времени наличия тока достаточной величины в обмотке его
электромагнита. При неразомкнутом контакте кнопки "СТОП" цепи
дистанционного управления исполнительное реле этой цепи и сама
обмотка электромагнита контактора будут находиться под действием
тока управления всё время, пока величина напряжения в сети будет
достаточной для создания такого тока. Поэтому, защитное отключе-
ние АВ (в составе РУНН КТП) не вызовет одновременного отключе-
ния группового АВ участка и контакторов магнитных пускателей
(станции управления) из-за наличия обратных ЭДС АД потребите-
лей. Воздействие этих ЭДС на электросеть шахтного участка требует
дополнительных исследований.
Условием электропитания передвижного технологического обо-
рудования является применение гибких экранированных шахтных
кабелей (рис. 1 .7) между силовыми вводами пускателей и АД потре-
бителей. Заземление корпусов передвижного электромеханического
оборудования осуществляется заземляющими жилами 5 путём их
присоединения к корпусам в отсеках кабельных вводов электродвига-
телей и коммутационных аппаратов. Наличие резинового проводяще-
го экрана 3 поверх резиновой изоляции 2 силовой жилы 1 создает
контакт этой силовой жилы с заземлением 5 при любом повреждении
кабеля (однофазная утечка тока на землю, междуфазное короткое за-
Рисунок 1.7 - Устройство гибкого
экранированного шахтного кабеля
марки КГЭШ: 1 – силовая жила;
2 – резиновая изоляция;
3 – резиновый полупроводнико-
вый экран; 4 – сигнальная жила;
5 – заземляющая жила;
6 – оболочка кабеля
19
мыкание), что должно приводить к срабатыванию устройства защиты
от утечек тока на землю (в составе РУНН КТП) и отключению, в свя-
зи с этим, напряжения питания участкового ЭТК.
Таким образом, электрооборудование участковых электротехни-
ческих комплексов шахты представляет собой совокупность средств
генерирования, силовой коммутации, распределения и потребления
электроэнергии и характеризуется наличием источников энергетиче-
ских потоков как со стороны питающей трансформаторной подстан-
ции, так и со стороны асинхронных двигателей потребителей. Веро-
ятными опасными состояниями шахтной участковой электросети
следует считать: междуфазные короткие замыкания; междуфазные
дугообразования; возникновение цепи повышенной проводимости
между фазой и землёй вследствие касания фазного проводника чело-
веком (цепи утечки тока на землю). В этих случаях требуется приме-
нение автоматического защитного быстродействующего обесточива-
ния сети, что отрабатывается устройствами защитного отключения
напряжения питания.
1.2 Асинхронные двигатели потребителей как источник
обратных энергетических потоков
Способность асинхронных двигателей создавать обратные ЭДС
в процессе выбега обусловливает поддержание опасного состояния
сети после её защитного отключения в случае возникновения цепи
утечки тока на землю. Поэтому проблематика воздействия АД потре-
бителей на параметры электробезопасности требует отдельного ис-
следования. Рациональным следует считать подход к анализу процес-
сов многомашинных ЭТК на основе применения векторного метода
[17]. Основываясь на постоянстве потокосцепления ротора при от-
ключении АД от источника питания, определяется характер измене-
ния напряжения статора s
u при индивидуальном выбеге:
()
[]
φ
α
ω
−
+
−
⋅
⋅
⋅
=
−
t
s
e
U
k
u
r
T
t
s
s
1
1
cos
0
,
(1.1)
где k − коэффициент, отражающий степень механической загрузки
двигателя, изменяется от 0,83 при номинальной нагрузке до 0,95 в
ненагруженном режиме; Us, ω1 − соответственно, амплитудное значе-
ние и угловая частота напряжения сети; Tr0 − постоянная времени ро-
20
тора; s − скольжение двигателя. Недостатком приведенной зависимо-
сти является игнорирование снижения частоты вращения ротора во
время выбега.
Одновременное отключение группы АД исследуется оператор-
ным методом с допущением относительно величин операторных про-
водимостей отдельных двигателей [17]. Это позволяет получить при-
близительные зависимости для определения характера затухания
групповой обратной ЭДС и величин уравнительных токов между
двигателями во время выбега. Однако такая математическая модель
не учитывает особенностей конфигурации и функционирования элек-
тротехнических комплексов участков шахт (наличие коммутацион-
ных аппаратов и гибких кабелей присоединений и т.д .). Кроме этого,
должны учитываться закономерности распределения мощностей ме-
жду двигателями во время группового выбега: обмен реактивной
мощностью определяется величинами постоянных времени роторов, а
обмен активной мощностью зависит от скольжений двигателей.
Оценка величины электромагнитной постоянной времени Тэ сниже-
ния обратной ЭДС двигателя производится согласно [18-20]:
K
r
I
U
T
э
ф
э
1
0ω
=
,
(1.2)
где Uф − фазное напряжение статора, В; I0 − ток двигателя в незагру-
женном режиме, А; rэ − эквивалентное активное сопротивление рото-
ра, Ом; ω1 − синхронная частота вращения, 1/с; K − коэффициент для
учёта насыщения магнитного поля двигателя, для комбайновых элек-
тродвигателей с воздушным охлаждением K=1,0÷1,2, с водяным ох-
лаждением K=1,6÷1,8.
Постоянная времени г
T затухания ЭДС группового выбега n
двигателей может бать определена зависимостью:
∑
=
∑
=
=
n
iеk
нk
n
i
нk
г
Т
P
P
Т
1
1
,
(1.3)
где нk
P − номинальная мощность k −го двигателя. Предложенные за-
висимости (1.2) и (1.3) позволяют с допустимой для технических рас-
чётов точностью определить постоянные времени снижения обратной
ЭДС АД, однако они не учитывают уровень механической нагрузки
двигателей во время выбега. Установлено (рис. 1.8), что с увеличени-
ем механической нагрузки двигателя начальное значение обратной
21
ЭДС уменьшается, а интенсивность её затухания возрастает [21]. Ис-
следованиями [22-24], выполненными на основе анализа режима вы-
бега АД в системе "двигатель − механизм" установлено, что сниже-
ние угловой скорости ω двигателя во время выбега происходит тем
медленнее, чем больше момент инерции механизма, его начальная
частота вращения, а так же чем меньше величина механической на-
грузки двигателя механизма (рис. 1 .9). [24]:
1
/)1
(
1
1
−
−
+
=
γ
τ
γ
ω
t
,
(1.4)
где τ − механическая постоянная времени механизма; γ − показатель,
характеризующий механическую характеристику машины: γ =0 при
неизменном моменте сопротивления; в случае линейной зависимости
механического момента от угловой скорости γ =1; "вентиляторной"
механической характеристике соответствует γ =2.
Характерной особенностью группового выбега асинхронных
двигателей разной мощности и уровней нагружения следует считать
формирование уравнительных токов в сети питающих кабелей, что
сопровождается обменом энергии [21]. При этом, в генераторном ре-
жиме функционируют двигатели, которые и при индивидуальном вы-
беге снижают скорость вращения в меньшей степени, чем другие.
Экспонента обратной ЭДС одиночного АД, либо обобщённая ЭДС
обусловленная совокупностью обратных энергетических потоков
группы двигателей разных мощностей в режиме выбега, может быть
Рисунок 1.8 - Зависимость эф-
фективного значения напряже-
ния фазы А относительно земли
UA0, обусловленного ЭДС двига-
теля мощностью 88 кВт во время
выбега, по данным эксперимента
[21] при нагрузке: 1 − 0,68Ін;
2 − 0,84Ін; 3 − 1,7Ін; 4 − 4,1Ін;
Ін − номинальный ток двигателя;
t − время выбега (от момента от-
ключения сети)
22
учтена при расчёте показателей электробезопасности в цепи утечки
тока на землю после защитного отключения сети.
Исследования процессов в системе "кабель-двигатель" при за-
щитном отключении сети [19, 25-27] дают основания считать, что
существует бесконечное количество соотношений "длина кабеля / се-
чение жилы", относительно которых возникают опасные начальные
токи утечки (>25 mA), обусловленные действием ЭДС вращения дви-
гателя. Однако реальный процесс в сети после её защитного отклю-
чения обусловливается общим воздействием на цепь утечки от ЭДС
вращения всех ранее включенных двигателей. Поэтому актуальным
представляется установление характера протекания и количествен-
ных параметров процессов, обусловленных совокупным действием на
цепь утечки тока на землю со стороны ЭДС вращения группы двига-
телей технологического участка шахты в режиме их свободного вы-
бега [28-32].
Рассмотрим процессы формирования обратных ЭДС АД в рас-
чётной схеме участковой электросети, параметры которой представ-
лены в табл. 1.5 с учётом допущений [33]: линейное напряжение Uн
трёхфазной сети - 660 В; начальная величина ЭДС каждого двигателя
-
0,9Uн; однофазная утечка тока на землю (Rут=1 кОм) возникает в ка-
Рисунок 1.9 - Кривые выбега для агрегата с механизмом, имеющим вентиля-
торный момент сопротивления, при изменении относительного уровня мо-
мента сопротивления механизма
*
.нач
с
М
[13];s, *
ω − скольжение и относи-
тельная угловая частота вращения двигателя; *t − относительное время (в
долях времени ускорения агрегата)
23
беле электропитания комбайна (М1) в момент t1; защитное отключе-
ние сети происходит в момент t2; все контакторы (КМ1-КМ6) пуска-
телей в присоединениях АД потребителей включены до момента
снижения напряжения сети до уровня 0,4 Uн (t3); ёмкости изоляции
гибких кабелей (Сиз і ) одинаковы в каждой из трёх фаз и соответст-
вуют удельным параметрам кабеля і-го потребителя с учётом его
длины; активные сопротивления изоляции кабелей (Rиз і) в каждой из
трёх фаз соответствующего і-го кабеля, одинаковы для кабеля каждо-
го потребителя и составляют Rиз>31 кОм для всей сети. Обратная
ЭДС (ЭДС вращения), индуктируемая в статоре АД полем токов ро-
тора, определяется из соотношения [34]:
t
s
e
T
t
e
S
j
L
L
u
j
p
op
o
p
m
об
)
1(0
)
1(
−
−
=
−
ω
ψ
ω
,
(1.5)
где Lm – индуктивность намагничивания АД; Lp – полная индуктив-
ность ротора; s и ω0 – скольжение и синхронная частота вращения
ротора. Постоянная времени снижения тока ротора:
0
0ω
p
н
ф
p
p
p
r
I
K
U
r
L
T
=
=
,
(1.6)
где rp – активное сопротивление обмотки ротора АД; Uф – фазное на-
пряжение статора двигателя в режиме холостого хода; Кн=1,1 (для АД
с воздушным охлаждением) – коэффициент, учитывающий насыще-
ние магнитной системы АД; І0 – ток холостого хода АД.
Согласно допущения, что синхронно с АВ отключаются контак-
торы всех пускателей (в момент t1) и с учётом зависимостей (1.5)-
(1.7), можно установить, что мгновенные значения ЭДС вращения ро-
торов разных по мощности двигателей в процессе снижения могут
принимать значения, разные по амплитуде, частоте и знаку (рис.
1.10). Из-за этого могут возникать состояния поддержания в двига-
тельном режиме отдельных АД при условии, что контакторы пуска-
телей остаются включенными. Во время выбега в этом случае двига-
тели потребителей участка создают в сети системы трёхфазных на-
пряжений (ЭДС), уменьшающихся экспоненциально. Указанные ЭДС
поддерживают ток в цепи утечки на землю (рис. 1 .11). С момента 3t
отключения контакторов из-за прекращения взаимного воздействия
двигателей увеличивается интенсивность замедления роторов АД
(рис. 1.12) [35; 36].
24
Таблица 1.5 - Параметры потребителей схемы ЭТК,
принятой в качестве примера для расчёта
No Тип потребителя
Номинальные
параметры АД
Параметры
гибких кабелей
м
о
щ
н
о
с
т
ь
,
к
В
т
ток,
A
cos φ
сече-
ние
жилы,
мм
2
д
л
и
н
а
,
м
удельная
ёмкость
изоляции,
мкФ/фазу/
км
1 Комбайн
210 231 0,855 70 300
0,87
2 Конвейер лавы
(верхний привод)
110 121,6 0,85 25 300 0,424
3 Конвейер лавы
(нижний привод)
110 121,6 0,85 25 50
0,424
4 Конвейер штрека
2
х110 243,2 0,85 70 50
0,87
5 Маслостанция
55 62,5 0,86 16 50
0,363
6 Станция орошения
30 35,1 0,84 10 50
0,345
На продолжительность снижения скорости вращения ротора АД
существенно воздействует приведенный момент инерции Jпр привода
и статический момент сопротивления Mс [34]:
с
с
M
J
M
d
J
t
2
пр
0
пр
т
2
ω
ω
ω
=
−
=
∫
,
(1.7)
где ω2 – частота вращения ротора двигателя при
c
M
M=
. Таким об-
разом, начиная от момента отключения напряжения в электросети
участка шахты двигатели потребителей совместно генерируют ЭДС,
которая: поддерживает пускатели во включенном состоянии и обу-
словливает двигательный режим работы отдельных двигателей по-
требителей, а также протекание тока в цепи однофазной утечки на
землю, чем отрицательно влияет на показатели электробезопасности.
Этот вывод подтверждается данными эксперимента (рис. 1 .13), где
установлено, что в случае возникновения опасного состояния (цепи
утечки тока на землю в момент t0, после защитного отключения сети
автоматическим выключателем КТП в момент t1) контактор пускате-
25
ля силового присоединения с цепью утечки на землю будет поддер-
живаться во включенном состоянии до момента t2 благодаря подпит-
ке схемы пускателя обратной ЭДС асинхронного двигателя этого
присоединения [37, 38].
1.3 Междуфазные короткие замыкания как факторы
опасности эксплуатации шахтных участковых
электротехнических комплексов
Опасность воспламенения технологического оборудования
вследствие междуфазного короткого замыкания силовой сети обу-
словлена малым токоограничением со стороны активных и индуктив-
ных сопротивлений вторичной обмотки трансформатора КТП и кабе-
ля (до места возникновения короткого замыкания).
Рисунок 1.10 – Расчетные диаграммы ЭДС вращения
асинхронных двигателей для разомкнутой сети (табл. 1.5)
26
С увеличением мощностей трансформаторных подстанций и се-
чений кабелей параметры их активных и индуктивных сопротивлений
тр
R;тр
X;кR;к
X - уменьшаются, что обусловливает тенденцию ещё
бóльшего увеличения тока к.з. в случае повышения мощностей тех-
нологических установок участка шахты. Критерий термостойкости
кабеля (сечением s) к току к.з .
⎟⎠
⎞
⎜⎝
⎛
⋅
=
t
s
c
I max
определяется коэффициен-
том теплорассеивания (с) и продолжительностью (t) защитного обес-
точивания аварийного силового присоединения [39]. Из этого следу-
ет, что повышение мощности электроустановок обусловливает при-
оритетность в разработке технических решений по повышению быст-
родействия выявления коротких замыканий в участковой сети шахты
uc1 iут
uc2
t1
t2
t0 – момент возникновения утечки тока на землю
Рисунок 1.13 – Осциллограммы фазного напряжения на входе (uc1)
и выходе (uc2, масштаб амплитуд уменьшен) контактора пускателя, тока
утечки (iут) на землю в процессе защитного отключения присоединения с
асинхронным двигателем мощностью 120 кВт в сети напряжения 660 В
Рисунок 1.11 – Диаграмма напряжения
Рисунок 1.12 – Диаграмма частот
на сопротивлении Rут тока на землю
вращения двигателей ЭТК
с учётом влияния обратных ЭДС
(табл. 1.5) во время выбега
совокупности двигателей
uут
27
и предотвращению воздействия энергетических потоков в аварийном
электрическом присоединении.
Состояние междуфазного к.з. в шахтной участковой электросети
(сеть с изолированной нейтралью) определяется: количеством фаз се-
ти, задействованных в создании режима короткого замыкания; пара-
метрами источника питания и кабелей аварийного присоединения;
наличием или отсутствием нагрузки электрического присоединения
(как правило, это асинхронный двигатель), его параметрами и со-
стоянием (вращающийся или неподвижный ротор). Это положение
иллюстрируется соответствующими схемами замещения, векторными
диаграммами (рис. 1.14) и сопровождается в начале переходным про-
цессом изменения потребляемого тока силовым присоединением с
цепью короткого замыкания, протекающего со стороны питающей
трансформаторной подстанции [40]. Этот переходный процесс (1.8)
при к.з. в электрической сети с активно-индуктивными составляю-
щими характеризуется наличием апериодического iа и периодическо-
го iп токов к.з. iк, обусловленных воздействием энергетического пото-
ка со стороны питающей КТП (рис. 1.15) [41]:
a
T
t
-
а
к
п
а
п
к
e
i
)
t
(
I
i
i
i
⋅
+
+
−
⋅
=
+
=
0
sin
2
α
φ
ω
;
(1.8)
где Та=Хk/ωrk - постоянная времени цепи к.з.: Iп – действующее зна-
чение периодической составляющей тока к.з.; iа0 – апериодическая
составляющая тока к.з . в начальный момент возникновения; ω=2πf –
угловая частота; φ – угол фазового смещения тока в цепи к.з .; αк – фа-
за включения к.з .; f – частота сети; Хк, rк – соответственно, индуктив-
ное и активное сопротивление цепи к.з .
Периодическая составляющая тока к.з. определяется величиной
напряжения сети и её токоограничительными свойствами и должна
рассматриваться как установившийся ток короткого замыкания после
окончания переходного процесса.
В то же время, свойством асинхронного двигателя является его
способность создавать обратную ЭДС (на начальном этапе выбега),
частота которой обусловлена частотой вращения ротора, а амплитуда
экспоненциально уменьшается от начального уровня (0,85÷0,9 от ам-
плитуды напряжения сети) с постоянной времени АД [34].
28
Рисунок 1.14 - Схемы замещения и векторные диаграммы токов при разных
видах к.з. в участковых сетях: трёхфазное к.з. (а); двухфазное металлическое
к.з. в сети с отключенной нагрузкой (б); двухфазное замыкание через пере-
ходное сопротивление в сети с отключенной нагрузкой (в); двухфазное ме-
таллическое к.з . в сети с подключенной нагрузкой (г); двухфазное замыкание
через переходное сопротивление в сети с подключенной нагрузкой (д);
C
B
A
E
E
E
&
&
&
,
,-
ЭДС фаз трансформатора;
C
B
A
I
I
I
&
&
&
,
,-
токи фаз при к.з. в сети;
тр
тр
тр
jX
R
Z
+
=
- полное сопротивление фазы трансформатора;
к
к
к
jX
R
Z
+
=
-
полное сопротивление фазы кабельной сети;
пер
пер
пер
jX
R
Z
+
=
-
переходное со-
противление в месте к.з.;
н
н
н
jX
R
Z
+
=
-
полное сопротивление нагрузки
д
г
а
б
в
29
Таким образом, электротехнический комплекс шахтного участка
может быть представлен как система с двумя источниками электро-
питания (энергетических потоков) близких по величине мощностей -
участковой трансформаторной подстанцией и совокупностью асин-
хронных двигателей потребителей. Исходя из этого, распространён-
ное представление о характере протекания к.з . в силовом присоеди-
нении участка (с учётом периодической и свободной составляющих
тока со стороны КТП) должно быть дополнено учётом составляющих
параметров процесса, начинающегося после защитного отключения
сети и определяющегося действием обратных энергетических пото-
ков АД.
Возможные варианты возникновения аварийного состояния ко-
роткого замыкания в силовом присоединении сети ЭТК участка шах-
ты представлены на рис. 1.16 [42]. Короткое замыкание в гибком ка-
беле потребителя (рис. 1 .16, а) будет сопровождаться процессом оди-
ночного выбега двигателя, в цепи питания которого возникло к.з . За-
i
t
iуд
Im
ia
iп
iкА
t1
ia
iкB
iкC
ia
Im
iп
iп
Рисунок 1.15 - Переходный процесс трёхфазного короткого замыкания: ин-
дексами А; В; С обозначены составляющие токов к.з. соответствующих фаз
сети, Imн; Imк - соответственно, амплитуды номинального тока сети (до воз-
никновения короткого замыкания) и установившегося тока к.з.
30
щитное отключение выполняется автоматическим выключателем
(АВ) и устройством максимальной токовой защиты магнитного пус-
кателя (КА) аварийного присоединения. К аварийной точке будет по-
ступать ток iов, обусловленный действием ЭДС вращения двигателя, в
гибком кабеле которого возникло к.з.
В случае возникновения короткого замыкания в магистральном
кабеле (рис. 1 .16, б) участковой сети, защитное отключение осущест-
вляется автоматическим выключателем на выходе КТП, и имеет ме-
сто процесс группового выбега асинхронных двигателей участка, что
обусловливает существование тока группового выбега iгв. Это состоя-
ние поясняется включенным состоянием коммутационных аппаратов
(КА) магнитных пускателей до момента достижения предельного
уровня (Uдоп≥0,4Uн) ЭДС вращения двигателей (при уменьшении). На
рис. 1 .17 представлена структура схемы электротехнического ком-
плекса участка в момент возникновения короткого замыкания в сило-
вом кабельном присоединении на выходе контактора (пускателя)
КМn [43]. Введены обозначения:
C
B
A
e
e
e
,
,
-
мгновенные значения фаз-
ного напряжения на выходе КТП; КМ1-КМn – контакторы магнитных
пускателей; М1-Мn – АД потребителей участка;
1
1,к
к
L
R
-
соответст-
венно, активные сопротивления и индуктивности гибких кабе-
Рисунок 1.16 - Схема вероятных энергетических потоков к
точке короткого замыкания после защитного отключения
напряжения питания участковой сети в случае возникновения
к.з. в гибком кабеле (а); в магистральном кабеле (б)
АВ
1
i
2
i
ТП
n
i
ãâ
i
îâ
i
а)
АВ
ТП
б)
КМ1
КМ2
КМ3
КМn
М1
М2
Мn
М3
1
i
2
i
n
i
КМ1
КМ2
КМ3
КМn
М1
М2
Мn
М3
3i
31
лей;
1.
1.
,
кn
кn
L
R
;
2.
2.
,
кn
кn
L
R
-
соответственно, активные сопротивления и
индуктивности 1-го и 2-го условных участков гибкого кабеля.
С учётом высокой вероятности срабатывания максимальной то-
ковой защиты пускателя аварийного присоединения целесообразно
ввести допущения об отключении контактора КМ1 одновременно с
автоматическим выключателем (АВ) участковой подстанции участка.
Таким образом, после защитного отключения участка фактором энер-
гетического воздействия на точку к.з. будет оставаться только асин-
хронный двигатель (группа двигателей) потребителя аварийного при-
соединения. Применительно к схеме (рис. 1.17) это машина М1. Ха-
рактерными местами определения величины фазного тока в процессе
междуфазного к.з. в силовом присоединении сети являются точки:
"А1" – выход силового коммутационного аппарата; "А2" – место к.з .;
"А3" – зажим кабельного ввода АД потребителя. Токи к.з. описыва-
ются выражениями:
-
в точке А1:
)
/
exp(
)
sin(
)
/
(
)0
(
max
a
t
a
к
к
а
п
к
T
t
i
t
Z
U
i
i
i
−
+
φ
−
α
+
ω
=
=
+
=
=
(1.9)
где
а
п
к
i
i
i,
,
-
ток к.з. от КТП до точки замыкания и его периодическая
и апериодическая составляющие, соответственно; Zк – полное сопро-
тивление цепи к.з .; φк – угол смещения тока относительно напряже-
ния в этой цепи;
)
/(к
к
a
r
x
T
ω
=
-
постоянная времени цепи к.з.; α –
фаза "включения" к.з.; к
r,к
x - соответственно, активное и индуктив-
ное сопротивления цепи к.з.;
Рисунок 1.17 - Схема замещения ЭТК участка шахты в состоянии
трёхфазного к.з. в силовом присоединении
АВ
КМn
КМ1
Mn
M1
RкnL
кn
Rк1.1
Lк1.1
Rк1.2 Lк1.2
eA
eB
eC
А1
А2
А3
32
- в точке А3:
()() вр
к
sl
к
к
s
к
e
dt
di
L
L
i
R
R
=
′
⋅
+
+
′
⋅
+
(1.10)
где евр – мгновенные значения ЭДС вращения АД (см. п .4 .1); ′
к
i-
мгновенные значения тока, обусловленного ЭДС вращения АД;
к
кL
R,
-
соответственно, активное сопротивление и индуктивность
гибкого кабеля от АД до точки замыкания;
sl
sL
R,
-
активное сопро-
тивление и индуктивность статора АД;
-
в точке А2 – сумма токов, обусловленных действием питающе-
го напряжения и ЭДС вращения АД:
′
+
=
к
к
кз
i
i
i
(
1
.
1
1
)
Таким образом, процесс междуфазного к.з . в промышленной
участковой электросети предполагает наличие двух токов до точки
короткого замыкания: со стороны комплектной трансформаторной
подстанции и со стороны асинхронного двигателя потребителя ава-
рийного присоединения (рис. 1.18) [43]. Ещё бóльшую опасность
представляет состояние, когда защитное отключение сети выполнено
только групповым автоматическим выключателем (АВ), а отключение
контактора аварийного присоединения (КМn) не произошло (напри-
мер, в случае отказа максимальной токовой защиты пускателя ава-
рийного присоединения). В этом случае в процессе формирования то-
ка в точке к.з . будут принимать участие все АД совокупности потре-
бителей участка, что обусловлено поддержанием контакторов всех
пускателей участка во включенном состоянии до момента достаточ-
ного снижения обратных ЭДС вращения АД [42]. Следовательно,
процесс к.з. может быть представлен совокупностью состояний в по-
следовательности:
-
возникновение к.з., протекание тока от трансформатора до
точки замыкания;
-
продолжение подпитки точки к.з. от трансформатора и проте-
кание тока до точки к.з. от статора АД аварийного присоединения
(процесс продолжается до момента защитного отключения электро-
питания со стороны трансформатора);
-
появление уравнительных токов, обусловленных обратными
ЭДС АД после защитного отключения электропитания;
33
-
подпитка точки к.з . только от АД аварийного присоединения
(процесс протекает после отключения контакторов пускателей смеж-
ных присоединений).
1.4 Силовая электросеть шахтного участкового электротехни-
ческого комплекса как источник опасности электропоражения
человека
Наряду с таким аварийным состоянием, каким является корот-
кое замыкание, электросеть шахтного участкового электротехниче-
ского комплекса является источником опасности электропоражения
человека [44, 45]. Проблематика обеспечения электробезопасности
КАБЕЛЬ
КАБЕЛЬ
АСИНХРОННЫЙ
ДВИГАТЕЛЬ
ТРАНСФОРМАТОР
C
i1
B
i1
A
i1
A
i2
B
i2
C
i2
C
v
e
A
v
e
B
v
e
f=50 Гц
Ток энергетического потока
от КТП
Ток энергетического потока
от АД
Рисунок 1.18 – Расчётная схема силового присоединения участкового
ЭТК в состоянии к.з . в кабеле электропитания АД и формы диаграммы
фазного тока к.з., обусловленного энергетическими потоками комплект-
ной трансформаторной подстанции и асинхронного двигателя
і
t
t
f=50 Гц
і
34
эксплуатации шахтных участковых электросетей освещена в трудах
Р.М . Лейбова [46, 47], В.С . Дзюбана [6, 18, 20, 48-50], В.П. Колосюка
[5, 15, 26], Г.Г . Пивняка [7, 40, 50-52], Ф.П . Шкрабца [7, 50, 53], и др.
и раскрыта в направлении формирования защитной функции в случае
возникновения электропоражающего фактора от энергетического по-
тока со стороны участковой КТП в трёхфазной электрической сети с
изолированной нейтралью трансформатора. В такой сети ток через
человека замыкается через проводимость изоляции Zi сети (рис. 1.19),
созданную активным сопротивлением Rі, обусловленным качеством
изоляционных материалов, и ёмкостным сопротивлением ХС, обу-
словленным длинами и сечениями кабелей и частотой f тока сети: Zi=
=√ (Ri
2
+Xi
2
).
Нормальный режим работы сети характеризуется равенством в
фазах активных (R1=R2=R3) сопротивлений, а также равенством в фа-
зах ёмкостных (Х1=Х2=Х3) сопротивлений. При таких условиях:
U1=U2=U3; I1=I2=I3; Un=0;
(1.12)
где U1, U2, U3 – напряжения фаз относительно земли; I1, I2, I3 – токи
утечки фаз на землю; Un – напряжение нейтрали.
При симметричном сопротивлении изоляции потенциал нейтра-
ли векторная диаграмма выглядит, как показано на рис.1.20, а. При
касании к одной из фаз (например, к фазе А) симметрия сети наруша-
ется, нулевая точка векторной диаграммы занимает новое положение
01 (рис. 1.20, б), а напряжения фаз примут значения:
N
U
U
U
•
•
•
−
=
1
'
1
;
N
U
U
U
•
•
•
−
=
2
'
2
;
N
U
U
U
•
•
•
−
=
3
'
3
(1.13)
Указанные соотношения позволяют определить:
- ток протекающий через человека:
R
U
U
R
U
I
чел
N
чел
чел
•
•
•
•
−
=
=
1
1
'
;
(1.14)
- ток через сопротивление изоляции:
Zі
U
U
Zі
U
I
N
•
•
•
•
−
=
=
1
'
1
1
Zі
U
U
Zі
U
I
N
•
•
•
•
−
=
=
2
'
2
2
Zі
U
U
Zі
U
I
N
•
•
•
•
−
=
=
3
'
3
3
,
(1.15)
где
0
3
2
1
=
+
+
+
=
•
•
•
•
•
∑
чел
I
I
I
I
I
35
Таким образом, полное сопротивление изоляции включено по-
следовательно с сопротивлением человека и выполняет токоограни-
чивающую функцию. Однако, увеличение проводимости изоляции
сети является фактором повышения опасности электропоражения. С
учётом распределения активного и ёмкостного сопротивлений изоля-
ции ток утечки на землю Іут (ток, протекающий через человека Ічел)
определяется по формуле [18]:
)
1(
9
)
6
(
1
2
2
2
2
С
R
R
R
R
R
R
U
і
чел
чел
і
і
чел
Ф
чел
утІ
І
ω
+
+
+
⋅
=
=
(1.16)
Рисунок 1.19 – Вероятные варианты касания человеком токоведущих эле-
ментов электросети: а − человек стоит на диэлектрическом материале;
б − качание двух фаз сети; в − однофазная утечка тока на землю через
сопротивление Rчел тела человека; г – схема замещения; д – векторная
диаграмма токов в цепи утечки на землю в состоянии «в»
д
г
Ічел
Ічел
Rчел
Rиз
Іа
ІС
ІС
Іа
а
б
в
Rчел
Ічел
Cіз
диэлектрик
Rиз
Xиз
36
В сетях напряжением 6 кВ, в которых ёмкостное сопротивление
значительно меньше активного, ток через человека может быть опре-
делён по формуле:
2
2
2
9
1
3
С
R
R
C
U
I
чел
чел
Ф
чел
ω
ω
+
⋅
=
(1.17)
Таким образом, общий уровень электрической проводимости
изоляции кабельной сети определяется величиной активного и ёмко-
стного её сопротивлений. Если высокое активное сопротивление изо-
ляции можно поддерживать профилактическими мероприятиями, ог-
раничением количества кабельных присоединений на участке, то ём-
кость фаз кабеля определяется только его длиной, сечением и конст-
рукцией (экранированные жилы, тип изоляции, расстояние от жил до
экранов и др.) . В процессе эксплуатации эта ёмкость может изменять-
ся только за счёт подключения и отключения отдельных кабельных
линий. Повышение ёмкости изоляции сети обусловит уменьшение её
ёмкостного сопротивления, что способствует увеличению тока утеч-
ки Іут (через тело человека Іут=Ічел) на землю и этим будет создана уг-
роза электропоражения человека при касании токоведущего провод-
ника, находящегося под напряжением. Тенденция относительно по-
вышения мощностей электромеханического оборудования шахтных
технологических установок предполагает увеличение сечений и длин
применяемых кабелей, что негативно сказывается на электробезопас-
ности эксплуатации участковых электротехнических комплексов.
Рисунок 1.20 – Векторная диаграмма фазных напряжений при:
а – симметричном сопротивлении изоляции; б – касании человека к фазе
а
б
А
А
В
В
С
С
37
Ток утечки на землю может быть уменьшен компенсацией его
ёмкостной составляющей индуктивностью дросселя (рис. 1 .21), в со-
ответствии с соотношением: ωC=1/ωL (где С – ёмкость изоляции се-
ти; L - индуктивность компенсирующего дросселя). Общим принци-
пом построения технических средств электрозащиты является безус-
ловная ориентация на выполнение нормативных показателей:
-
величина безопасного тока через тело человека при продол-
жительном протекании не может превышать Iчел.max=25 mА;
-
максимальное безопасное количество электричества, прохо-
дящего через тело человека (Rчел=1 кОм) при касании токоведущего
проводника составляет q=50 mА·с .
Рисунок 1.21 – Схема сети (а), схема замещения (б) и векторная
диаграмма (в), поясняющие принцип компенсации ёмкостного тока
утечки на землю
Ічел
Ічел
Rчел
Rчел
а
б
в
Rиз
38
Расчёты параметров электробезопасности при применении мер
по защите от электропоражения в шахтных участковых электросетях
выполняются с учётом нормируемой величины сопротивления тела
человека, которое, в соответствии с ГОСТ 22929-78 составляет 1 кОм
[55]. В то же время, исследованиями [56, 57] доказано, что это сопро-
тивление имеет функциональную зависимость от величины напряже-
ния прикосновения и с увеличением этого напряжения - уменьшается
(рис. 1 .22), что учтено нормативом (ГОСТ 12.1 .038 -82) при продол-
жительности прохождения тока по телу человека, бóльшей, чем 0,5 с.
С учётом тенденции повышения уровня номинального линейного на-
пряжения шахтных участковых электросетей проблематика обеспе-
чения электробезопасности их эксплуатации, повышения эффектив-
ности защиты от электропоражения приобретает ещё бóльшую акту-
альность.
0
40
80
120 U,В
Рисунок 1.22 – Зависимость сопротивления тела человека
от напряжения касания [54, 55]
Z, Ом
3100
2300
1500
39
1.5 Устройство и диалектика усовершенствования средств
защиты от утечек тока на землю
1.5.1 Принципы определения наличия цепи утечки тока на
землю
Диалектика развития теории защиты человека от электропора-
жения в сетях с изолированной нейтралью трансформатора охватыва-
ет несколько взаимосвязанных направлений [58]. Простейший прин-
цип выявления цепи утечки на землю предусматривает подключение
измерительно-реагирующего элемента (реле) последовательно в цепь
оперативного тока при использовании статического компенсатора
ёмкости изоляции фаз сети (рис. 1 .23, а, б) [18]. Выявление однофаз-
ной утечки тока на землю возможно по напряжению (U0) или току
нулевой последовательности (рис. 1.23, д) [27]:
2
2
2
0
0
9
1
С
R
e
U
e
U
U
в
j
m
j
m
ω
φ
φ
+
⋅
=
=
&
,
(1.18)
где
m
U0
−
модуль напряжения нулевой последовательности;
в
CR
arctg ω
φ
3
=
;m
U − амплитуда фазного напряжения.
Величина напряжения нулевой последовательности контролиру-
ется исполнительным органом К, включенным между нулевой точкой
фильтра присоединения 0
Z и землёй (рис. 1 .23, в) [26; 27]. Выявление
аварийного режима по току нулевой последовательности осуществля-
ется посредством кольцевого трансформатора тока (рис. 1 .23, д) [59].
При относительной простоте и высоком быстродействии такие уст-
ройства характеризуются невысокой чувствительностью, неспособ-
ностью реагировать на симметричные снижения сопротивления изо-
ляции. К недостаткам таких схем можно отнести низкую точность
выявления аварийных состояний (из-за использования электромаг-
нитных реле в качестве измерительных средств) и отсутствие само-
контроля состояния устройства, что создаёт опасность неисполнения
защитной функции. Существенным недостатком схемы определения
утечки тока на землю при подключении обмотки реле в последова-
тельную цепь контролируемого параметра является повышение чув-
ствительности к коммутационным перенапряжениям в сети и, как
следствие, - многочисленные ложные срабатывания защиты [60].
40
Рисунок 1.23 - Электрические схемы, поясняющие способы контроля сопро-
тивления изоляции электросети относительно земли: наложение на сеть по-
стоянного оперативного тока (а), контроль выпрямленных токов сети (б),
контроль напряжения(в) и тока (д) нулевой последовательности
б)
а)
в)
д)
41
Рисунок 1.24 – Дифференци-
альная схема контроля сопро-
тивления изоляции сети
Iет
R1
R2
К
Rіз
Iвим
Uет
Uвим
Iэт
Iизм
Uэт
Uизм
Rиз
Повышение чувствительности к состоянию утечки тока на зем-
лю и точности исполнения защитной функции при использовании ре-
ле в качестве измерительного средства было достигнуто при приме-
нении дифференциальных схем (рис. 1.24). Их действие основано на
сравнении тока в измерительной цепи (Iизм) с эталонным током (Iэт) в
двухобмоточном реле К.
Магнитные потоки в магнитопро-
воде реле, наводимые токами Iизм и Iэт,
направлены встречно. Это создаёт воз-
можность применить реле с уменьшен-
ным током срабатывания (Iср) и этим
повысить чувствительность схемы за-
щиты:
эт
изм
ср
I
I
I
−
=
(1.19)
Классическим примером про-
мышленной реализации этого принци-
па является схема аппарата защиты от
утечек тока на землю серии УАКИ [50], в котором устройство кон-
троля состояния изоляции выполнено на основе вентильной схемы и
двухобмоточного реле (к срабатыванию реле приводит состояние, ко-
гда измерительный ток в его рабочей обмотке будет превышать вели-
чину тока в тормозной обмотке). Однако схема устройства не позво-
ляет контролировать состояние самого реле, и выявлять его отказ.
Совмещение защитной функции и функции самоконтроля со-
стояния элементов устройства автоматической защиты от утечек тока
на землю основывается на таком изменении функциональной направ-
ленности структурных составляющих защиты, при котором будут
иметь место распределение между элементами функции выявления
утечки тока на землю (электронная схема сравнения эталонного и
оперативного токов) и формирования команды на защитное отключе-
ние силового коммутационного аппарата и участковой сети (электро-
магнитное реле, исходное состояние которого – "включено"). Эле-
менты схемы, связанные с работой реле, должны выполнять простые
логические функции, так, что отсутствие одной из таких функций
свидетельствовало бы о неработоспособности схемы в целом. Приме-
ром реализации этого принципа является схема сравнения измери-
тельного (оперативного) и эталонного токов (рис. 1.25) [6]. В схеме
через эмиттер-базовый переход транзистора V1 протекает пульси-
42
рующий эталонный ток Іэт, имеющий форму прямоугольных импуль-
сов (рис. 1 .26). При условии достаточно высокого сопротивления
изоляции Rиз≈∞, в измерительной цепи течёт ток Іизм от источника
Еизм через вход усилителя на транзисторах V1-V2, заземлитель "з",
землю, дополнительный заземлитель "Дз", дополнительные резисто-
ры Rд, обмотки трансформатора Тр, дроссель Lк, балластный резистор
Rб.
Этот ток является меньшим, чем амплитуда эталонного тока Іэт.
Потому на протяжении ti протекания импульса тока Іэт транзистор V2
будет заперт. Он отпирается во время паузы (когда Іэт=0) измери-
тельным током Іизм. Вследствие периодического отпирания в коллек-
торе транзистора V2 будет протекать переменный ток, что является
условием поддержания реле К во включенном состоянии. Это позво-
ляет включить автоматический выключатель РУНН КТП.
Рисунок 1.25 – Схема контроля
сопротивления изоляции, дейст-
вующая на принципе сравнения из-
мерительного и эталонного токов
Рисунок 1.26 – Графики изменения
эталонного (1) и измерительного (2)
токов в схеме контроля по рис. 1.25
~
Е
з
V1
Іет
Rіз
Евим
Дз
Rд
Тр
Lк
Rб
Ф
К
R1
Еет
ti
tп
ti
ti
tп
1
2
І
е
т
м
ti tп
1
2
1
2
Еизм
Еэт
Iэт
I
э
т
м
Rиз
43
В случае недопустимо малого сопротивления изоляции измери-
тельный ток Іизм станет превышать амплитуду эталонного тока Іэт.
Это определит продолжительное открытое состояние транзистора V2
и протекание постоянного тока по первичной обмотке трансформа-
торного фильтра Ф. Поэтому на выводе фильтра сигнал исчезает, что
приводит к отключению исполнительного реле К. Таким образом, ав-
томатический контроль состояния элементов схемы выявления и за-
щитного отключения цепи утечки тока на землю обеспечивается тре-
мя методами [6]:
-
формированием искусственного тока утечки при помощи ре-
зисторов Rд;
-
использованием транзисторов V1-V2 в режиме периодическо-
го отпирания-запирания;
-
подключением реле К таким образом, что ток в его обмотке
уменьшается как в случае возникновения утечки тока на землю в се-
ти, так и при повреждении его обмотки, диодов выпрямителя, транс-
форматора Тр.
Это даёт возможность отключения реле К при повреждении лю-
бого из элементов схемы или нарушении цепей связи аппарата с се-
тью и заземлителями.
Рассмотренный принцип выявления и отключения цепи утечки
тока на землю применён в аппаратах защитного отключения сети се-
рий АЗПБ, АЗУР (рис.1.27) [6, 12]. Направлением совершенствования
схемотехники выявления утечки тока на землю следует считать при-
менение схем, реагирующих на скорость увеличения оперативного
тока оп
I , или пропорционального ему электрического параметра, что
содействует повышению быстродействия защитного отключения се-
ти.
44
Р
и
с
у
н
о
к
1
.
2
7
-
.
Ф
у
н
к
ц
и
о
н
а
л
ь
н
а
я
с
х
е
м
а
а
п
п
а
р
а
т
а
з
а
щ
и
т
ы
о
т
у
т
е
ч
е
к
т
о
к
а
г
а
з
е
м
л
ю
с
е
р
и
и
А
З
У
Р
I
э
т
45
1.5.2 Устройство и свойства устройств автоматической
компенсации ёмкости изоляции сети
Функция ограничения количества электричества в цепи утечки
тока на землю может быть реализована путём применения полной
компенсации ёмкостных сопротивлений изоляции сети, что в услови-
ях коммутации кабельных присоединений участка может выполнять-
ся в автоматическом режиме.
Условием применения автоматической компенсации ёмкости
изоляции сети является точное, быстродействующее измерение. Ре-
шение этой задачи усложняется тем, что измерение ёмкости необхо-
димо осуществлять непрерывно, в условиях появления коммутацион-
ных переходных процессов (что сопровождается кратковременной
асимметрией фазных токов и напряжений трёхфазной сети); при не-
допущении воздействия на режим нейтрали сети и на работоспособ-
ность устройства выявления состояния утечки тока на землю.
Указанным требованиям, в частности, соответствует метод, ос-
нованный на изменении коэффициента усиления усилителя, в цепи
обратной связи которого подключена измеряемая ёмкость сети (рис.
Рисунок 1.28 – Схема измерения ёмкости сети с изменяемым
сопротивлением: а - в цепи обратной связи усилителя;
б - автономного колебательного контура
См
С4С5С6
-
+
~
L2
C3
C1
C2
G
VT1
TV1
L1
U = f(Cм)
R1
L1 С1L
2
R1R4R2R3
VD1
VD2 VD3
E
См
С2
С3
TV1
Вихід
VT1
Выход
46
1.28, а) [6]. Цепь, созданная последовательно соединёнными дроссе-
лем L2 и конденсатором C3, настраивается на частоту 50 Гц и пред-
ставляет собой незначительное сопротивление для токов утечки.
Поэтому, при возникновении цепи утечки тока на землю почти всё
напряжение смещения нейтрали прикладывается к конденсаторам
С4-С6 . Воздействие напряжения, обусловленного активным сопро-
тивлением дросселя L2 отсутствует в связи с действием фильтра
L1C2, настроенного на частоту 50 Гц и создающего значительное со-
противление току промышленной частоты. Частота измерительного
напряжения (от генератора G) принимается в десятки раз бóльшей,
чем промышленная частота сети. Поэтому сопротивление дросселя
L2 измерительному току существенно превышает сопротивление
конденсаторов С4-С6 присоединения схемы к сети, а фильтр L2C3 не
воздействует на работу измерительной схемы.
При изменении ёмкости сети соответственно изменяется экви-
валентное сопротивление, включенное в цепь обратной связи между
выводом "+" источника питания и эмиттером транзистора VT1. Это
приводит к изменению коэффициента усиления усилителя на транзи-
сторе и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора
TV1. Таким образом, на выходе схемы (вторичная обмотка трансфор-
матора TV1) появляется напряжение, которое является функцией ём-
кости изоляции сети U=f(Cм). Рассмотренный принцип применён в
схемотехнике автокомпенсаторов аппаратов защиты серии АЗУР
(рис. 1.27). Автокомпенсация ёмкостной составляющей тока утечки
осуществляется дросселем L1 с регулируемой индуктивностью, кото-
рый включен между искусственно созданной нулевой точкой индук-
тивного фильтра присоединения – первичной обмотки трансформато-
ра TV2 − и основным заземлителем аппарата "З". С увеличением фак-
тической ёмкости сети из
C возрастает частота кf колебательного кон-
тура КК, приближаясь к частоте импульсов гf генератора G, что обу-
словливает увеличение напряжения на TV4 и соответствующее по-
вышение тока пІ подмагничивания дросселя L1.
Наряду с рассмотренным, перспективы промышленного исполь-
зования имеет усовершенствованный принцип автокомпенсации ём-
кости изоляции сети, отличающийся повышенным быстродействием
настройки и состоящий в непрерывной компенсации общей ёмкости
1мкФ/фазу, которая состоит частично из дополнительных ёмкостей в
схеме аппарата защиты при условии быстродействующей их коррек-
47
ции путём коммутации их составляющих в зависимости от изменения
величины ёмкости изоляции сети. Управление процессом предусмот-
рено от микропроцессорного устройства измерения емкости изоляции
сети (рис. 1.29) [61].
1.5.3 Автоматическое закорачивание повреждённой фазы как
способ ускорения обесточивания цепи утечки тока на землю
Определённым недостатком автокомпенсаторов, основанных на
управлении подмагничиванием дросселя, является инерционность
схемы, что приводит к некоторой задержке перенастройки дросселя в
момент подключения или отключения того или иного кабеля сети. В
сетях повышенного номинального напряжения (1140 В) создаются
условия увеличения количества электричества в цепи утечки тока на
землю (тело человека), что обусловливает целесообразность приме-
нения технических решений по ускорению обесточивания кабелей в
процессе защитного отключения.
Этим требованиям отвечает принцип принудительного закора-
чивания на землю фазы, сопротивление изоляции которой уменьши-
лось до величины, представляющей опасность электропоражения (в
случае повреждения изоляции или касания человеком фазного про-
водника). Структура устройства защиты от утечек тока на землю в се-
ти 1140 В иллюстрируется схемой (рис. 1.30) и предусматривает при-
менение короткозамыкателей повреждённых фаз, которые срабаты-
Рисунок 1.29 - Структурная схема устройства компенсации ёмкостных токов
утечки на землю: 1 – компенсирующий дроссель з немагнитным зазором;
2, 5 – фильтры; 3, 9, 10 – конденсаторы; 4 – генератор тока повышенной час-
тоты; 6 – блок управления; 7, 8 – коммутирующие ключи
48
вают одновременно с защитным отключением сети [6]. Это создаёт
возможность "шунтирования" человека на землю (в процессе защит-
ного отключения сети) в случае его касания к токоведущим элемен-
там. Таким образом, защита от утечек тока на землю в шахтной элек-
тросети 1140 В кроме средства определения повреждения фазы
(ОПФ) и управления защитным отключением силового коммутаци-
онного аппарата должна бать дополнена блоком управления коротко-
замыкателями повреждённой фазы. Устройство выявления и замыка-
ния на землю фазы с повреждённой изоляцией содержит релейный
блок (РБ) и три идентичных измерительных блока: "А"; "В"; "С", ка-
ждый из которых контролирует величину напряжения между соот-
ветствующей фазой и землёй.
Измерительные блоки фаз "А"; "В"; "С" построены на принципе
сравнения эталонного тока Іэт, пропорционального напряжению сети,
и тока Іфо, определяемого напряжением относительно земли той фа-
зы, к которой присоединён измерительный блок. При уменьшении
сопротивления изоляции между фазой сети и землёй ток Іфо так же
уменьшается. Условием срабатывания короткозамыкателя фазы явля-
ется соотношение: Іфо<Іэт. С целью недопущения ложных срабатыва-
ний блока БКЗ его работой управляет блок защитного отключения
аппарата защиты. Принцип закорачивания повреждённой фазы сети
на землю реализован в аппаратах РУ-1140, АЗУР-4, АЗУР-1МК;
АЗУР-4 МК [61].
Рисунок 1.30 – Схема устройства защитного закорачивания на землю по-
вреждённой фазы 1-3
–
фазные короткозамыкатели; 4 – блок выявления
повреждения фазы; 5 – блок управления короткозамыкателями
ОПФ
49
1.5.4 Применение микропроцессорной схемотехники как сред-
ство повышения функциональных свойств устройств
защиты от утечек тока на землю
Важнейшими показателями работы устройств защиты от утечек
тока на землю являются обеспечение: высокой точности измерения
тока и быстродействия защитного обесточивания цепи утечки на зем-
лю; самоконтроля состояния схемы устройства защиты, а также
функции накопления и передачи информации о состоянии изоляции
контролируемой сети и параметрах её защитного обесточивания.
Этим требованиям соответствуют модернизированные схемы аппара-
тов АЗУР, в частности: АЗУР-1МК (для сетей напряжения 380/660 В);
АЗУР-4МК (для сетей напряжения 660/1140 В) [62].
Схема аппарата (рис. 1 .31) состоит из устройства контроля сопротив-
ления изоляции, устройства определения, выбора и шунтирования повре-
ждённой фазы и устройства регистрации, отображения, хранения и пере-
дачи данных. Выполненная на основе применения микроконтроллера
схема обладает дополнительными свойствами по сравнению с пред-
шествующими разработками аналогичного назначения: автоматиче-
ской адаптацией к напряжению сети и автоматическим выбором ус-
тавок срабатывания без участия оператора; самоконтролем состояния
элементов и самодиагностикой состояния схемы со светодиодной ин-
дикацией рабочего состояния аппарата; обеспечением параметров
электробезопасности в участковой электросети при ёмкости изоляции
2,0 мкФ/фазу; регистрацией и хранением результатов проверки и сра-
батываний в аварийных случаях (функция "чёрный ящик"); цифровой
индикацией и отображением в реальном времени состояния аппарата
и параметров защищаемой сети; интеграцией в нижний уровень
АСУТП.
Таким образом, применение микроконтроллера в качестве базо-
вого элемента электрической схемы позволило расширить функцио-
нальные свойства аппарата защиты от утечек тока на землю.
50
Р
и
с
у
н
о
к
1
.
3
1
–
П
р
и
н
ц
и
п
и
а
л
ь
н
а
я
с
х
е
м
а
а
п
п
а
р
а
т
а
А
З
У
Р
-
4
М
К
51
1.5.5 Проблематика обеспечения электробезопасности экс-
плуатации комбинированных сетей шахтных участковых
электротехнических комплексов
1.5.5.1 Типовая структура комбинированного участкового элек-
тротехнического комплекса шахты
Кроме сетей трёхфазного синусоидального напряжения, защита
от утечек тока на землю распространяется на комбинированные элек-
тросети, в состав которых входят преобразователи частоты (рис. 1.32)
[63, 64]. Структура ПЧ представлена выпрямителем 1 (цепь постоян-
ного тока) с ёмкостным фильтром 2 на выходе и автономным инвер-
тором 3 напряжения, подаваемого на АД потребителя через сглажи-
вающий дроссель 4 (рис. 1 .33) [65]. В процессе формирования трёх-
фазной системы выходных напряжений преобразователя применяется
принцип широтно-импульсной модуляции (ШИМ), что обусловлива-
ет наличие прямоугольных импульсов в каждой полуволне фазного
напряжения (рис. 1.34).
Эта прямоугольность импульсов выходного напряжения инвер-
тора обусловливает наличие в них высокочастотных гармонических
Рисунок 1.32 – Схема электропитания добычного комбайна з частотно-
управляемыми асинхронными двигателями подачи (ЭДП) и неуправляе-
мыми асинхронными двигателями резания (ЭДР):
КТПВ – участковая трансформаторная подстанция; АВ – автоматический
выключатель; ПВ – взрывобезопасный магнитный пускатель;
С – ёмкость изоляции кабеля; АЗ – аппарат защиты от утечек тока на зем-
лю; ПЧ - преобразователь частоты
ЭДР1
ЭДР2
ЭДП1
ЭДП2
АЗ
ПЧ
52
составляющих (рис. 1.35), частота и амплитуда которых находятся в
зависимости от заданной частоты выходного напряжения ПЧ. Нали-
чие совокупности высокочастотных составляющих в спектре выход-
ных напряжений инвертора обусловливает существенное уменьшение
ёмкостного сопротивления изоляции сети токам этих частот, создаёт
дополнительную опасность электропоражения и требует применения
специальных защит [64; 66-68]. Поэтому актуальна задача определе-
ния свойств преобразователя частоты как источника высокочастот-
ных составляющих тока утечки на землю.
1.5.5.2 Свойства преобразователя частоты как источника
высокочастотных составляющих тока утечки на землю
Свойства преобразователя частоты относительно воздействия на
величины электрических параметров в цепи утечки тока на землю в
комбинированном электротехническом комплексе участка шахты
требуют детального определения, что предусматривает комплексное
применение апробированных методов исследования.
Схема экспериментального стенда (рис. 1.36) представляет со-
бой структуру ЭТК, включающую: трёхфазный источник линейного
Рисунок 1.33 – Блочно-структурная схема преобразователя частоты
ПЧЭШ-60 добычного комбайна и диаграммы напряжений
соответствующих функциональных блоков
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ
ЦЕПЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА
53
напряжения (TV1) 380 В частоты 50Гц (в режиме изолированной ней-
трали), питающий нагрузку – асинхронный двигатель (M) с коротко-
замкнутым ротором, мощностью 15 кВт. В процессе экспериментов
регулирование частоты вращения ротора асинхронного двигателя
осуществлялось преобразователем частоты (VZ1) типа Danfoss VLT
6002 со звеном постоянного тока [69, 70]. Имитация ёмкостей и ак-
тивных сопротивлений изоляции кабеля относительно земли между
преобразователем частоты и асинхронным двигателем выполнена с
использованием магазина ёмкостей и сопротивлений в диапазонах,
соответственно, 0÷2 мкФ/фазу; 1÷150 кОм/фазу.
Цепь утечки тока на землю представлена соединёнными после-
довательно миллиамперметрами переменного (РА1), и постоянного
тока (PА2) и дополнительным активным сопротивлением (Rут). Пара-
метры тока утечки регистрировались осциллографом (ОСЦ), подклю-
ченным к измерительному резистору (R). Общее сопротивление цепи
утечки составляет 1 кОм, что согласуется с положениями ГОСТ
22929-78 "Аппараты защиты от токов утечки рудничные для сетей
напряжением до 1200 В" [55]. С целью имитации действия загради-
тельного фильтра в фазах кабеля на выходе ПЧ последовательно с АД
Рисунок 1.34 – Диаграммы напряжения фазы при реализации принципа
синусоидальной ШИМ выходного напряжения преобразователя частоты
Рисунок 1.35 – Спектр выходного напряжения инвертора в относитель-
ных единицах. Результаты получены в УкрНИИВЭ
54
предусмотрено подключение индуктивностей в диапазоне от 0,1 мГн
до 15 мГн. В ходе эксперимента получены массивы мгновенных зна-
чений напряжений на измерительном резисторе (R) в цепи однофаз-
ной утечки суммарным сопротивлением 1 кОм.
Величины токов утечки на землю (Іут) определены как отноше-
ние среднеквадратического значения массива измеренного напряже-
ния утечки к сопротивлению утечки Rут=1 кОм по формуле:
()2
1000
1
;
n
ут
i
вит
i
IU
R
n=
=×
∑
(1.20)
где i
U – массив мгновенных значений напряжения утечки; n – коли-
чество элементов массива.
Установлено, что однофазный ток утечки, в основном, обу-
словлен величиной ёмкостной проводимости сети, при отсутствии
выходных индуктивных фильтров ПЧ (индуктивности Lф зашунтиро-
ваны). Основной гармонической составляющей тока утечки является
Блок RC
фазы А
Блок RC
фазы В
Блок RC
фазы В
Рисунок 1.36 – Схема экспериментального стенда исследования процессов
в цепи утечки тока на землю
TV1; UЛ=380 В
UZ1
Осциллограф
Lф
M
~ PA1 -PA2
R=10 Ом R=910 Ом
Сопротивление утечки Rут
RА
CА
К4-К9
К1-К3
Rут ;
55
ток высокой частоты, обусловленный напряжением выхода силовой
цепи широтно-импульсного модулятора (табл. 1.6).
Из анализа таблицы 1.6 следует, что при ёмкости изоляции ка-
беля Сиз≥0,001 мкФ/фазу, ток утечки на землю превышает допусти-
мое значение по ГОСТ 22929-78 [55]. С учётом ёмкости изоляции
шахтных экранированных гибких кабелей наиболее часто применяе-
мых сечений КГЭБУШ 3х70+3х3,5 (Сиз=0,48 мкФ/км); КГЭШ3х50
(Сиз=0,21 мкФ/км), можно утверждать, что комбинированный элек-
тротехнический комплекс технологического участка шахты (в состав
которого входит преобразователь частоты со звеном постоянного то-
ка), оснащённый гибкими кабелями указанных выше сечений с дли-
нами, превышающими 30 м, представляет собой опасность электро-
поражения человека [66].
Таблица 1.6 – Величины действующих однофазных токов утечки на
землю при сопротивлении утечки 1 кОм и линейном напряжении
380 В (результаты натурного эксперимента)
Ёмкость сети
(мкФ/ фазу)
после преобразо-
вателя
Действующее значение тока утечки, mА,
при частоте преобразователя, Гц
Несущая частота
1 кГц
Несущая частота
5 кГц
10
25
50
10
25
50
0,001
68
69
68
106
105
104
0,005
93
95
95
156
130
132
0,01
135 130 131
164
163
163
0,025
142 138 138
162
158
157
0,05
143 142 143
153
147
147
0,075
144 143 143
150
143
144
0,1
142 141 142
147
142
141
0,2
141 137 139
145
139
139
56
Рисунок 1.37 – Графики зависимости тока утечки на землю от индуктивно-
сти заградительного фильтра при разных значениях ёмкости сети:
а – несущая частота преобразователя частоты – 1000 Гц;
б – несущая частота преобразователя частоты – 5000 Гц
б
а
57
Эффективность применения индуктивных фильтров как сред-
ства уменьшения влияния высокочастотных составляющих напряже-
ния сети на величину тока утечки на землю может быть определена
из анализа исследований на стенде (рис. 1.36) при включении после-
довательно в фазы сети Lф (Rут=1 кОм). Обобщённые результаты ис-
следования (рис. 1 .37) позволяют сделать вывод о том, что при малых
ёмкостях изоляции кабелей ЭТК применение фильтра существенно
уменьшает величину тока утечки на землю. Последний снижается с
увеличением индуктивности фильтра. Однако, при ёмкости изоляции
кабелей Сиз≥0,1 мкФ/фазу такое увеличение индуктивности не приво-
дит к однозначному уменьшению тока утечки на землю. При индук-
тивности заградительного фильтра 0,5 мГн наблюдается увеличение
тока утечки до 140 мА.
Более выраженное увеличение тока происходит при несущей
частоте кГц (рис. 1.37). Причина такого эффекта - резонансные явле-
ния в контуре "ёмкость-индуктивность" и наличие высокочастотной
составляющей выходного напряжения преобразователя частоты.
Конкретизация характера воздействия ПЧ на параметры электробезо-
пасности ЭТК шахты может быть установлена на основе математиче-
ского моделирования процессов в указанном объекте (рис. 1.38) [71].
На схеме замещения объекта исследования введены обозначе-
ния: EA, EB, EC – фазные ЭДС трёхфазного преобразователя частоты;
LФ – индуктивность заградительного фильтра; R, L – эквивалентные
приведенные активные сопротивления и индуктивности обмоток
Рисунок 1.38 – Схема замещения фрагмента комбинированного шахтного
участкового электротехнического комплекса (фрагмент - от ПЧ до АД)
58
асинхронного двигателя; С1, С2, С3 – ёмкости жил силового кабеля
относительно земли; R1, R2, R3 – активные сопротивления утечки фаз
относительно земли.
При обосновании допущений предполагается, что преобразова-
тель частоты формирует на выходе трёхфазную систему напряжений,
в спектральный состав каждого из которых входит синусоидальное
напряжение, обеспечивающее рабочий режим АД, а также дополни-
тельные гармонические составляющие в определённом диапазоне
частот, вызванные коммутационными процессами в полупроводнико-
вом выходном каскаде ПЧ, обусловленные широтно-импульсной мо-
дуляцией его выходного напряжения.
Кроме этого, в модели предусмотрено: параметры кабельной
электросети – сосредоточены; параметры модели электродвигателя –
постоянны; индуктивность L-фильтра на выходе преобразователя
частоты – линейна и идеальна. Величины токов в элементах расчёт-
ной схемы описываются на основе первого закона Кирхгоффа:
33
22
11
0;
0;
0;
0;
0;
ACRa
BCRb
CCRc
abc
ABC
Iiii
Iiii
Iiii
iii
III
−+
++=
⎧
⎪−+++=
⎪⎪−+ + +=
⎨
⎪ ++=
⎪
⎪++ =
⎩
1.21)
Соотношения электрических потенциалов расчётной схемы
описываются уравнениями (1.22) [72]. После решения уравнений от-
носительно производных соответствующих токов и напряжений,
представления системы дифференциальных уравнений в форме Коши
и приведения к нулевым начальным условиям, математическая мо-
дель объекта исследования (2.4) будет иметь вид (1.24), где
0
)0( =
A
I
,
0
)0( =
B
I
,
0
)0( =
C
I
0
)0( =
a
i
,
0
)0( =
bi
,
0
)0( =
c
i
,
0
)0(1
=
C
U
,
0
)0(2
=
C
U
,
0
)0(3
=
C
U
.
59
33 22
33 11
33
2
3
;
;
;
;
;
acC
A
ф
ac
ф
AC
bcC
B
ф
bc
ф
BC
AB
ф
RR
ф
AB
C
A
ф
RR
ф
AC
AB
ф
RCф
AB
A
ф
R
di
di
dI
dI
L
LR
i
LR
i
LEE
dt
dt
dt
dt
di
di
dI
dI
L
LR
i
LR
i
LEE
dt
dt
dt
dt
dI
dI
LR
i
R
i
LE
E
dt
dt
dI
dI
LR
i
R
i
LE
E
dt
dt
dI
dI
LR
i
U
LE
E
dt
dt
dI
LR
i
dt
++−−
−
=
−
++−−−
=
−
+−−
=
−
+−−
=
−
+−−
=
−
+
31
33
3
;
0;
B
C
ф
AC
RC
dI
UL EE
dt
RiU
⎧
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪⎪⎨
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
−−
=−
⎪
⎪+=
⎪
⎪⎩
(1.22)
Исследования параметров ЭДС преобразователя частоты вы-
полнены на основе моделирования ПЧ с квазиоднополосной модуля-
цией (ПЧ с КМ) [71]. В этом преобразователе реализуется многока-
нальный способ преобразования параметров электромагнитной энер-
гии сети, в соответствии с которым в блоке силовых модуляторов вы-
полняется распределённая пофазная модуляция напряжения ui, часто-
ты ω1 трёхфазной сети соответствующими им эквивалентными моду-
лирующими действиями трёхфазной системы с частотой ω2. Модель
включает многопараметрическое алгоритмическое уравнение, описы-
вающее процессы формирования выходного напряжения u1(N,t) пре-
образователя:
()
∑=
=
3
1
2
1
),,
(
),(
),
(
i
Э
i
М
it
N
t
i
u
t
N
u
ψ
(1.23)
где
⎟⎠
⎞
⎜⎝
⎛
−
−
=
3
)1
(2
sin
),(
1
2
π
ω
i
t
E
t
i
u
m
–
мгновенные значения фазных
напряжений сети; Em – амплитуда фазного напряжения, i=1, 2, 3;
N – число инверторов силового модулятора напряжения сети i-й
фазы [73].
60
(2.4)
33
22
11
11 22
33
1
2
11 22
1
2
11 33
1
1
0;
0;
0;
0;
0;
-2
2-2
2
--
2
-
2
2
--
-
2
3
-3
ACRa
BCRb
CCRc
abc
ABC
RR RCC AC
A
Ф
RRCC BC
B
Ф
CRR
C
C
A
BC
Ф
a
Iiii
Iiii
Iiii
iii
III
RiRiRiUU
EE
dI
dt
L
RiRiUU
EE
dI
dt
L
dIRiRiUUEE
E
dt
L
di
R
dt
−+
++=
−+
++=
−+
++=
++=
++=
++
+
+
=
++
=
+−+
+
=
=
11
22
33
1
2
11
22
1
2
11
33
1
2
1
1
1
2
2
2
3
3633424224
6
-
333324244
6
333
-
3++
-
224
3
1
1
1
R
R RCC abcABC
bRRCCa
b
A
B
C
cR RC
Ca
bcA
BC
C
C
C
C
C
iR
iR
iUU R
iR
iR
iEEE
L
di
Ri
Ri
U
U
RiRiE
E
E
dt
L
di Ri
Ri
UURiRiRiEE
E
dt
L
dU
i
dtC
dU
i
dtC
dU
dt
− +−+
−
++−
−
+
+−++
−
−
+
+
=
−+
++
−
=
=
=
=
3
3
C
i
C
⎧
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪⎨
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪⎩
Для силового модулятора напряжения любой фазы, состоящего
из N инверторов, эквивалентное модулирующее действие любого
n-го из них представим модулирующей функцией вида:
()
∑
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡
π
−
−
β
−
+
α
±
α
±
ω
=
ψ
2
n
1
0
2
Э
i
М
)1
i(2
)1
n
(
)t(
t
sin
sign
)t,
N
,
n
(
(1.25)
где α0 – половина временнóго интервала продолжительности нулевой
паузы в кривой выходного напряжения n-го инвертора; βn – начальная
фаза выходного напряжения n-го инвертора; α1(t) – угол управления,
изменение которого во времени обеспечивает широтно-импульсную
модуляцию выходного напряжения каждого инвертора и, тем самым,
регулирование выходного напряжения ПЧ. Учитывая структуру тако-
го преобразователя, подключенного к трёхфазной сети промышлен-
(1.24)
61
ной частоты, эквивалентное модулирующее действие любого из трёх
силовых модуляторов удовлетворяет соотношению:
()
∑∑
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡
π
−
−
β
−
+
α
±
α
±
ω
=
ψ
N
1
n2
n
1
0
2
Э
i
М
3
)1
i(2
)1
n
(
)t(
t
sin
sign
)i,t
,
N
(
(1.26)
Выражение (1.30) позволяет определить параметры выходных
ЭДС ПЧ с КМ. При соответствующем нормировании выражения
(1.32) относительно питающего напряжения может быть выполнено
математическое описание электромагнитных процессов в двухзвен-
ных преобразователях частоты. Поскольку условием применения
комбинированных сетей в составе шахтных электротехнических ком-
плексов является обеспечение электробезопасности их эксплуатации,
актуальным представляется определение параметров тока в цепи
утечки на землю (Rут=1 кОм) и свойств технических средств сниже-
ния величины этого тока. Характерной особенностью является то, что
ток в цепи утечки на землю на выходе ПЧ – импульсный (рис. 1 .39).
Частота импульсов согласуется с несущей частотой, а форма обу-
словлена способом модуляции и величиной ёмкости изоляции кабеля
относительно земли.
Установлено, что при ёмкости изоляции кабеля, превышающей
0,001 мкФ/фазу действующее значение тока утечки на землю превы-
шает нормируемую (безопасную) величину (табл. 1 .7; табл. 1 .8) [55].
Токоограничительные свойства заградительных фильтров (относи-
тельно высших гармоник тока) оказались недостаточными в контек-
Рисунок 1.39 – Фрагмент осциллограммы ёмкостного тока утечки на землю
в цепи утечки с сопротивлением R1=1 кОм. Активные сопротивления
изоляции: R2=R3=500 кОм; ёмкостные сопротивления изоляции
каждой фазы С1=С2=С3=0,15 мкФ/фазу
62
сте ограничения тока в цепи утечки на землю на выходе ПЧ до нор-
мируемой безопасной величины (рис. 1.40 и 1.41) [72].
Таблица 1.7 – Действующие значения однофазных токов утечки
на землю при сопротивлении утечки 1 кОм и линейном
рабочем напряжении сети 660 В
Ёмкость сети
(на фазу), после
преобразовате-
ля, мкФ
Действующее значение тока утечки на землю,
mА, при частоте напряжения на выходе
преобразователя, Гц
Несущая частота 1 кГц Несущая частота 5 кГц
10
25
50
10
25
50
0,0005
75
74
72
91
89
87
0,001
98
96
95
120
118
117
0,005
110
107
105
124
123
120
0,01
160
155
155
170
170
168
0,025
184
180
180
190
188
187
0,05
210
205
204
215
214
213
0,075
224
223
220
234
232
231
0,1
245
243
242
250
249
248
0,2
268
268
267
270
268
267
0,3
272
270
268
272
269
268
0,4
270
270
269
270
269
269
0,5
269
268
268
269
268
267
Высокочастотные составляющие в токе утечки на землю в сети
ПЧ способны не только повысить величину этого тока, но и воздейст-
вовать на оперативный параметр устройства защиты. Процесс фор-
мирования факторов воздействия со стороны преобразователя часто-
ты на работу аппарат защиты (АЗ) от утечек тока на землю иллюст-
рируется рис. 1 .42 и состоит в появлении нескольких составляющих
оперативного тока АЗ с воздействием на параметры срабатывания
защиты. Это обусловливает необходимость применения комплекса
технических средств защиты от электропоражения в комбинирован-
ной электросети шахтного участка (аппаратура АЗУР-4ПП, рис.
1.43) [64].
63
Таблица 1.8 – Действующие значения однофазных токов утечки
на землю при сопротивлении утечки 1 кОм и линейном рабочем
напряжении сети 1140 В
Ёмкость сети
(на фазу), после
преобразовате-
ля, мкФ
Действующее значение тока утечки на землю,
mА, при частоте напряжения на выходе
преобразователя, Гц
Несущая частота 1 кГц Несущая частота 5 кГц
10
25
50
10
25
50
0,0005
132
135
130
141
144
142
0,001
139
138
138
142
145
145
0,005
168
167
165
170
169
167
0,01
211
209
206
215
212
210
0,025
230
228
226
235
232
230
0,05
260
257
255
261
258
257
0,075
289
285
284
290
288
286
0,1
346
340
325
347
342
330
0,2
380
375
348
379
375
347
0,3
382
378
350
382
377
349
0,4
381
378
348
380
378
350
0,5
380
375
347
380
377
348
Далее защитную функцию будет продолжать выполнять блок 2
компенсации ёмкостных токов утечки, а блок 3 будет выявлять по-
вреждённую фазу с дальнейшим автоматическим её подключением на
землю через резистор малого сопротивления. Блок 8 формирует ко-
манду на отключение коммутационного аппарата 7 при возникнове-
нии тока утечки после силовых полупроводниковых элементов ПЧ. В
этом случае коммутационный аппарат 7 своим контактом включает
короткозамыкатель 9, который импульсно, на время до 1 с замыкает
между собой три фазы на выходе ПЧ и, тем самым (на это время),
прекращает воздействие на сеть от ЭДС асинхронного двигателя гор-
ной машины.
64
Рисунок 1.40 – Графики зависимости тока утечки на землю от индуктивности
L-фильтра при разных значениях ёмкости кабеля (несущая частота ПЧ 1000 Гц)
Рисунок 1.41 – Графики зависимости тока утечки на землю от индуктивности
L-фильтра при разных значениях ёмкости кабеля (несущая частота ПЧ 5000 Гц)
65
Разделение участковой сети на две цепи при возникновении
утечки тока на землю в присоединении ПЧ обеспечивает несрабаты-
вание блока защитного заземления повреждённой фазы в магистрали
защищаемой сети (блок 3) и поддержание функционирования ком-
пенсатора 2 ёмкости изоляции магистрали в штатном режиме, под-
держивая безопасное состояние силовых присоединений. С целью
устранения воздействия цепи постоянного тока на работу защиты при
возникновении в этой цепи опасного тока утечки на землю (появле-
ние напряжения между фазой сети и землёй, направленного встречно
измерительному напряжению аппарата защиты) предусмотрен блок
10 контроля сопротивления изоляции цепи постоянного тока, кото-
рый при уменьшении её сопротивления ниже допустимого уровня от-
ключает и блокирует коммутационный аппарат 7. Таким образом, со-
временные шахтные участковые сети всех уровней номинального на-
пряжения защищены средствами защиты от утечек тока на землю,
действие которых распространяется на отделение от участковой сети
энергетических потоков со стороны КТП и сопровождается компен-
АЗ
УВПФ
Іут1
Іут2
Rут1
Rут2
M
Рисунок 1.42 – Схема формирования воздействующих факторов со сто-
роны преобразователя частоты (ПЧ) в комбинированной электросети
участка шахты на работу аппарата защиты (АЗ) от утечек тока на землю:
УВПФ – устройство выбора повреждённой фазы; ФП – фильтр
присоединения; М – асинхронный двигатель потребителя;
Іоп – оперативный ток АЗ; Іут – ток утечки на землю; Rут – сопротивление
утечки на землю; Rш – шунтирующее сопротивление АЗ
66
сацией ёмкостной составляющей сопротивления изоляции сети и за-
корачиванием на землю повреждённой фазы (в сети напряжения 1140
В). Однако, отключением силовых присоединений от источника пи-
тания не прекращается ток в цепи утечки на землю, поскольку не ис-
ключается функция воздействия со стороны обратных ЭДС АД по-
требителей, продолжительность которых обусловлена постоянной
времени соответствующих электрических машин, находящихся в со-
стоянии свободного выбега.
1.5.6 Схемные отличия устройства защиты от утечек тока на
землю в участковой сети номинального напряжения 3300 В
Существующая тенденция относительно увеличения мощности
электроприводов технологических установок шахты обусловливает
целесообразность перевода участковых электросетей на повышенные
уровни номинального напряжения. Учитывая мировой опыт и реко-
мендованные мощности перспективных рудничных электроприводов,
следует предположить, что следующей величиной номинального дей-
Рисунок 1.43 – Блочно-структурная схема системы АЗУР-4ПП комплекс-
ной защиты от утечек тока на землю в сети с преобразователем частоты в
цепи электропитания асинхронного двигателя горной машины (разработ-
ка УкрНИИВЭ): 1 – блок контроля сопротивления изоляции сети; 2 - блок
компенсации ёмкостных составляющих тока утечки на землю; 3 – блок
защитного заземления фазы с повреждённой изоляцией; 4 – защитный
коммутационный аппарат; 5 – трансформатор КТП; 6 – силовая полупро-
водниковая схема ПЧ; 7 коммутационный аппарат; 8 – блок принуди-
тельного отключения; 9 – короткозамыкатель; 10 – блок контроля сопро-
тивления цепи постоянного тока
67
ствующего линейного напряжения шахтного участкового электротех-
нического комплекса будет уровень в 3300 В, что усложняет задачи
обеспечения нормативных параметров электробезопасности эксплуа-
тации электрооборудования и требует коррекции параметров защит
от утечек тока на землю. Это, прежде всего, касается продолжитель-
ности протекания тока утечки на землю и срабатывания АЗ, что в со-
вокупности не должно превышать 0,05 с и обусловливает необходи-
мость совершенствования схемы аппарата защиты от утечек тока на
землю. Устройством защиты, адаптированным к функционированию
в сети номинального напряжения 3300 В является аппарат АЗУР-5.
Его схема (рис. 1.44) интегрирует в себе положительные свойства
предшествующих образцов защиты [73; 74].
Информационным параметром относительно определения нали-
чия и величины тока утечки на землю в участковой сети является
оперативный ток, создаваемый источником оперативного напряже-
ния. Его величина задаётся управляемым ограничителем (УОТ) в со-
ответствии с режимом работы защиты (что определяется блоком
БВР). В отличие от модификаций, предназначенных для работы в се-
ти под. напряжением 660 В и 1140 В, присоединение цепи оператив-
Рисунок 1.44 – Функциональная схема устройства автоматической защиты
от утечек тока на землю АЗУР-5
К нулевому расцепителю автоматического вы-
ключателя КТП
АК – автоматический компенсатор
БОР – блок определения режима работы
БФС- блок фильтра сопряжения
ИР – исполнительное реле
БКПФ- блок короткозамыкателей и вы-
явления повреждённой фазы
ИЭТ – источник эталонного тока
БС – блок сравнения
БФ – блок форсировки реле
УОТ – управляемый ограничитель тока
ИОН – источник оперативного напряже-
ния
ДЗ – дополнительный заземлитель
БФДЗ – блок фильтра дополнительного
заземлителя
ИОН
УОТ
БОР
ИР
БС
ИЭТ
68
ного тока к фазам участковой сети осуществляется через общую точ-
ку соединённых по схеме "звезда" вторичных обмоток w2 трансфор-
матора TV участковой КТП. Такое подключение схемы к точке нуле-
вого потенциала сети существенно повышает безопасность и ресурс
устройства защиты (АЗУР-5). Повышение быстродействия защитной
функции обеспечивается форсированием срабатывания реле. Соот-
ветствующий блок (БФ) реагирует на величину дифференциальной
составляющей тока утечки на землю.
Таким образом, выходным сигналом для устройства управления
исполнительным реле аппарата защиты АЗУР-5 является параметр,
обусловленный совокупностью выходных параметров блоков сравне-
ния (БС) и форсирования (БФ). Отличительным свойством БС явля-
ется поддержка определённой формы сигнала, соответствующего ра-
ботоспособному состоянию схемы АЗУР-5. Этим реализуется прин-
цип самоконтроля состояния схемы на основе выявления "деформа-
ции" выходного сигнала БС.
Общим выводом относительно применения аппаратуры защиты
от утечек тока на землю является утверждение о способности совре-
менных средств защитного отключения ограничивать на безопасном
уровне ток в цепи утечки и количество электричества (указанные па-
раметры обусловлены энергетическим потоком со стороны участко-
вой комплектной трансформаторной подстанции участка). Достаточ-
ные параметры электробезопасности обеспечиваются применением в
совокупности апробированных способов выявления и измерения тока
утечки (на основе сравнения эталонного и оперативного параметров
АЗ) и принципов токоограничения в цепи утечки на землю (компен-
сация ёмкостной составляющей тока, автоматическое быстродейст-
вующее закорачивание на землю повреждённой фазы; ускорение из-
мерения тока утечки на основе выявления его производной по време-
ни).
Опасное состояние сети не прекращается после защитного от-
ключения, поскольку питание цепи утечки на землю (после её отсо-
единения от выходных зажимов КТП и прекращения действия корот-
козамыкателя (в случае его наличия) устройства защиты) будет осу-
ществляться от обратного энергетического потока АД (совокупности
двигателей) потребителя (потребителей) участка. Поддержанию об-
ратных токов АД содействуют их пускатели, контакторы которых бу-
дут находиться определённое время во включенном состоянии после
отключения АВ из-за подпитки схем пускателей обратными ЭДС
69
двигателей. Это обусловливает актуальность исследований вопросов
устранения (подавления) воздействия обратных энергетических пото-
ков АД в шахтных участковых электросетях относительно силовых
присоединений с цепями утечки тока на землю и повышенными меж-
дуфазными проводимостями.
1.6 Свойства устройств токовой защиты электротехнических
комплексов шахтных участков и средств токоограничения при
аварийных состояниях
1.6.1 Свойства средств максимальной токовой защиты
электросетей шахтных участков
Большинство известных технических решений в области макси-
мальной токовой защиты в ЭТК участка шахты отрабатывают функ-
цию выявления тока к.з. со стороны источника питания (КТП) и бы-
стродействующего отключения энергетического потока этого источ-
ника от повреждённого присоединения. Соответствующие исполни-
тельные устройства можно разделить на устройства непосредствен-
ного и косвенного действия (рис. 1 .45). Последние приводятся в ра-
боту по командам устройств выявления тока к.з. Основной принцип
выявления тока короткого замыкания, который отрабатывается сред-
ствами максимальной токовой защиты шахтных участковых сетей –
сравнение фактического тока сети с заданным током уставки и фор-
мирование команды на отключение коммутационного аппарата в
случае превышения этим током величины уставки. Этот принцип от-
рабатывается как средствами непосредственного измерения тока
(максимальные расцепители в автоматических выключателях) так и
устройствами косвенного действия (рис. 1.46). В устройствах косвен-
ного действия (УМЗ, ПМЗ, БТЗ и др.) измеряемый параметр создаёт-
ся вторичными токами трансформаторов тока, сравнительная функ-
ция отрабатывается электрической схемой, в которой предусмотрена
возможность регулирования уставки срабатывания [12, 40]. Харак-
терной особенностью схем косвенного действия является наличие ре-
лейного исполнительного органа, что обусловливает функциональ-
ную зависимость собственного времени срабатывания защиты от ве-
личины тока в сети (рис. 1.47).
70
Аналогичным свойством отличаются и, непосредственно, авто-
матические выключатели силовых электрических сетей [12, 13, 75].
Рассмотренные технические решения предусматривают определённое
время срабатывания защиты, в течение которого протекание тока (и
соответствующая тепловая перегрузка) аварийного силового присое-
динения будут поддерживаться. Учитывая опасность взрыва метано-
воздушной смеси в условиях шахты от воспламенения в месте воз-
никновения к.з., принципиально важной составляющей защитной
функции следует считать предотвращение открытого искро- и дуго-
образования, способного вызвать этот взрыв.
Ускорение выявления режима короткого замыкания может быть
достигнуто на основе измерения скорости изменения тока в контро-
лируемой сети. Примером реализации функции контроля скорости
нарастания тока в сети является схема быстродействующей токовой
защиты БМЗ, где предусмотрена реакция стабилитрона на величину
напряжения, формируемого в пропорциональности к скорости изме-
нения тока нагрузки [77].
Рисунок 1.45 – Классификация средств защиты электротехниче-
ского комплекса участка шахты от короткого замыкания
Контроль фазы смещения
тока относительно напря-
жения
Контроль скорости изме-
нения величины тока
Контроль величины тока
Косвенного дей-
ствия
Формирование сиг-
нала на защитное
отключение коротко-
го замыкания
Реле максимального
тока (максимальный
расцепитель)
Плавкие предо-
хранители
Автоматические вы-
ключатели
Контакторы пускателей
Измерительные
контролирующие
устройства
Прямого
действия
Прямого
действия
Исполнительные
устройства
Косвенного дей-
ствия
Функция защитного
отключения присоеди-
нения с коротким за-
мыканием от источни-
ка питания
71
1.6.2 Защитная функция гибких кабелей с параметрами
взрывобезпасности
Нестационарность размещения электротехнического оборудова-
ния технологических установок шахтных участков обусловливает не-
обходимость применения гибких кабелей для передачи электроэнер-
гии к силовым вводам асинхронных двигателей. Однако, отсутствие
металлической брони создаёт благоприятные условия для механиче-
Рисунок 1.46 – Анализ свойств типовых средств максимальной токовой
защиты силового электрооборудования технологических комплексов
участков шахт
Максимальный расцепитель - контролирует,
непосредственно, величину тока в электросети;
функция срабатывания – перемещение якоря под
действием магнитного потока в магнитопроводе;
объект воздействия – механизм свободного расцеп-
ления АВ. В современных версиях расцепителя
функция оперативного регулирования уставки сра-
батывания – отсутствует.
1 – магнитопровод; 2 – силовая шина фазы сети; 3 –
проверочная катушка; 4 пружина механизма на-
стройки уставки срабатывания; 5 – якорь;
6 -рычаг механизма расцепления АВ
6
Защита ПМЗ – контролирует вторичный токовый параметр – величину выходного
тока трансформаторов тока ТА, функция срабатывания (реле К) – воздействие на
схему управления контактором пускателя; расцепитель автоматического выключа-
теля – отключение соответствующего коммутационного аппарата. Функция измере-
ния параметра вторичного тока выполняется электронной схемой. Электромагнит-
ное реле выполняет исключительно исполнительную функцию
Проверка
К расцепи-
телю
В цепь
сигнализа-
ции
~ 48V
72
ского повреждения гиб-
кого кабеля и появления
состояний междуфазного
дугообразования либо ко-
роткого замыкания, со-
провождаемых значитель-
ным повышением тока.
Такие токовые перегруз-
ки являются причинами
перегрева изоляции жил в
цепях короткого замыка-
ния, возникновения меж-
дуфазного дугообразова-
ния и воспламенения.
Установлено
[77],
что в случае возникнове-
ния электрической дуги
под оболочкой кабеля
температура нагрева её
поверхности
является
случайной
величиной,
распределённой по нормальному закону Гаусса, а доверительный ин-
тервал с вероятностью р=0,99 составляет 87 oС. При этом в случае воз-
никновения междуфазной дуги оболочка кабеля повреждается увели-
ченным давлением, что так же является случайной величиной, распре-
делённой по нормальному закону Гаусса с доверительным интервалом
р=0,95 и находится в интервале 0,02-1,18 МПа.
Статистика аварий [78] свидетельствует, что причиной возгора-
ний более 40% гибких кабелей в шахтах являются междуфазные к.з.
силовых жил. Именно воздействие на кабель со стороны средств ме-
ханизации добычного участка приводит к повреждению защитной
шланговой оболочки и изоляции с одновременным замыканием жил на
землю или между собой. Такие состояния возникают как при внешнем
повреждении, так и при внешнем сдавливании, что сопровождается
раздавливанием изоляции силовых жил и их прижатием к неизолиро-
ванной заземляющей жиле. Следовательно, шахтный гибкий экрани-
рованный кабель – единственное электротехническое изделие в систе-
ме электроснабжения участка, которое не относится к взрывозащи-
щённому электрооборудованию.
123456
Ік/Іуст.
Рисунок 1.47 – Графики зависимости
собственного времени срабатывания
блоков УМЗ (1) и ПМЗ (2) от кратности
тока к.з. к току уставки
tср.mc
1
2
73
Воздействующим фактором относительно взрыва метано-
воздушной смеси является создание источника достаточной тепловой
энергии в точке повреждения кабеля. Поэтому мерами предотвраще-
ния возникновения данной опасности являются ограничение времени
существования токовой перегрузки и ограничение величины тока пе-
регрузки в цепи к.з. Требованиям взрывобезопасности соответствует
Рисунок 1.49 – Схема электроснабжения потребителя при использовании
кабеля КГЭШуС-ПБ в состоянии возникновения междуфазной цепи
короткого замыкания
Рисунок 1.48 - Устройство гибкого
экранированного взрывозащищённо-
го шахтного кабеля марки
КГЭШуС-ПБ:
1 – силовая жила; 2 – вспомогатель-
ная жила; 3 – заземляющая жила;
4 – сепаратор; 5 – изоляция силовых
и вспомогательных жил; 6 – элек-
тропроводный экран; 7 – упрочняю-
щие элементы; 8 – электропроводная
оболочка; 9 – внутренняя оболочка;
10 – медно-стальная оплётка;
11 – внешняя оболочка
1
2
3
4
5
6
11
10
9
8
74
шахтный экранированный гибкий упрочнённый кабель повышенной
безопасности марки КГЭШуС-ПБ (рис. 1 .48) в котором предусмотре-
но шесть силовых жил 1, т.е . – расщепление каждой фазы на две жи-
лы [77]. Особенностью конструкции кабеля является также расщепле-
ние заземляющей жилы на три жилы, каждая из которых покрывается
электропроводным поливинилхлоридным пластикатом (электропро-
водным экраном) 6. Конструкция этого кабеля делает невозможным
одновременное повреждение обеих жил фазы при их сжатии, по-
скольку силовые проводники каждой фазы распределены в простран-
стве. Поэтому аварийное состояние будет определяться замыканием
между отдельными ветвями фазных проводников (рис. 1 .49). Это по-
зволяет снизить величину тока двухфазного к.з. в 1,3-1,8 раза относи-
тельно тока к.з. в трёхфазном кабеле (рис. 1 .50), что достигается шун-
тированием дугового промежутка неповреждённой жилой этой же
фазы.
Установлено, что при дуговых процессах в кабеле продукты
термического разложения изоляционного пластиката снижают про-
должительность горения электрической дуги до 30 mс, а сама обо-
лочка кабеля может выдерживать внутреннее давление в 2,0 МПа.
Эти свойства позволяют предотвратить воспламенение кабеля в слу-
чае возникновения в нём цепи двухфазного к.з. (из-за повреждения
Рисунок 1.50 – Кривые токов короткого замыкания в кабелях КГЭШ 3х50
(1) и КГЭШуС-ПБ 6х25 (2) в зависимости от длины L кабеля [77]
75
изоляции силовых жил вследствие внешнего сдавливания) в течение
времени срабатывания максимальной токовой защиты.
Другим вариантом реализации токоограничения во время сраба-
тывания максимальной токовой защиты является автоматическое
включение индуктивностей (управляемый реактор с полупроводнико-
вым коммутатором) последовательно в фазы сети между источником
питания и точкой к.з. [78]. Однако в составе рудничных участковых
электротехнических комплексов этот способ не применяется.
Общим положением следует считать целесообразность токоо-
граничения в процессе защитного отключения участковой электросе-
ти как дополнительный способ снижения мощности теплового им-
пульса в месте возникновения к.з. Но это не исключает необходимо-
сти и практической актуальности исследований и разработок в облас-
ти повышения скорости определения и обесточивания цепи короткого
замыкания в кабельной сети шахтного технологического участка.
1.6.3 Устройство и проблематика применения системы опе-
режающей защиты рудничных электроустановок
Инерционность обесточивания места повреждения кабеля при
использовании существующих защитных и коммутирующих уст-
ройств не согласуется с параметрами быстродействия обесточивания,
определёнными по критерию предотвращения взрыва метано-
воздушной смеси (рис. 1.51) [15]. В соответствии с этим нормативно
определена продолжительность 2,5 mc защитного обесточивания си-
лового присоединения при возникновении аварийного состояния, в
течение которой исключается вероятность достижения тепловым им-
пульсом энергии, достаточной для воспламенения метано-воздушной
смеси [79-81].
Известный принцип ускоренного обесточивания аварийного
присоединения состоит в объединении функций отключения сети и
создания искусственной цепи к.з. всех трёх фаз непосредственно на
выходе силового коммутационного аппарата. Это было реализовано
схемой автоматического быстродействующего выключателя АБВ-250
при использовании устройства быстродействующей токовой защиты
типа БМЗ (с функцией выявления скорости нарастания тока сети) [12,
81].
Защитное отключение силового присоединения, объединённое с
функцией искусственного к.з. его фаз стало основой создания систе-
76
мы ускоренного обесточивания участковой электросети шахты (рис.
1.52), которая получила определение как система так называемой
"опережающей" защиты и обусловила соответствующее положение
нор-мативного
документа
(п.5 .2 .2 ПБ) в части приме-
нения и быстродействия за-
щитного срабатывания (2,5
mc) в электросети очистных
и подготовительных вырабо-
ток пластов крутого падения,
опасных по внезапным вы-
бросам угля и газа [82]. Эта
система
предусматривает
применение кроме автомати-
ческого быстродействующе-
го выключателя АБВ-250
средств защитного закорачи-
вания непосредственно, си-
ловых выводов асинхронных
двигателей
потребителей
(короткозамыкателей
типа
ПМК и ПМКВ) и модифици-
рованных пускателей ПВИ-
250-АБВ, или подобных (рис.
1.52) [79-81]. Однако этому
техническому решению при-
сущ ряд существенных не-
достатков, среди которых:
-
управление отделени-
ем от сети обратного энерге-
тического потока АД в слу-
чае повреждения питающего
кабеля (рис. 1.53) выполняет-
ся по командам, которые
должны поступать от авто-
матического
выключателя
участка к короткозамыкате-
лю статора по сигнальным
жилам этого же кабеля. При
t, мс
Рисунок 1.51 – Зависимость вероятности
взрыва (З) метано-воздушной смеси от
времени защитного обесточивания
повреждённого кабеля [15]
77
повреждении сигнальных жил кабеля одновременно с силовыми (в
случае к.з.) защита теряет работоспособность (т.к. управление корот-
козамыкателем статора АД становится невозможным);
-
включение короткозамыкателей подчинено срабатыванию ав-
томатического выключателя со стороны КТП и производится не в
момент выявления аварии, а с задержкой;
-
ошибка персонала при подключении сигнальных жил кабеля к
проходным зажимам пускателя приведёт к разрыву канала передачи
управляющих команд;
-
ложное срабатывание короткозамыкателей вызовет трёхфазное
к.з. в шахтном участковом ЭТК, что недопустимо.
Кроме этого, срабатывание короткозамыкателей вызывает токо-
вые динамические перегрузки асинхронного двигателя.
Отмеченные недостатки обусловили отказ (в настоящее время)
от производства технических средств системы т.н. "опережающей"
токовой защиты, однако промышленное использование этой схемы
доказало принципиальную возможность применения быстродейст-
вующего обесточивания точки короткого замыкания в кабеле питания
АД путём отделения энергетических потоков как со стороны питаю-
щей трансформаторной подстанции, так и со стороны статора двига-
теля аварийного присоединения. Принципиально важным является
то, что отделение обратного энергетического потока асинхронного
двигателя должно происходить по команде автономно действующего
средства выявления опасного состояния силового присоединения (без
необходимости подчинения его работы управляющей команде внеш-
него защитного устройства) и одновременно со срабатыванием за-
щитного устройства со стороны трансформаторной подстанции.
Анализ особенностей устройства и эксплуатации шахтных уча-
стковых электротехнических комплексов свидетельствует, что общи-
ми признаками этих объектов являются:
-
применение асинхронных двигателей преимущественно сред-
ней и высокой мощности в качестве приводных в составе оборудова-
ния технологических машин и установок;
-
распределённость кабельных линий и применение не брони-
рованных, а гибких экранированных шахтных кабелей для электро-
питания не стационарно размещённых потребителей.
78
Р
и
с
у
н
о
к
1
.
5
2
-
С
т
р
у
к
т
у
р
н
а
я
с
х
е
м
а
с
и
с
т
е
м
ы
э
л
е
к
т
р
о
с
н
а
б
ж
е
н
и
я
ш
а
х
т
н
о
г
о
у
ч
а
с
т
к
а
с
б
ы
с
т
р
о
д
е
й
с
т
в
у
ю
-
щ
и
м
з
а
щ
и
т
н
ы
м
о
б
е
с
т
о
ч
и
в
а
н
и
е
м
т
о
ч
к
и
к
.
з
.
М
2
М
1
79
Кроме этого, для данных объектов характерны:
-
высокая вероятность повреждения гибких кабелей, учитывая
их ограниченную прочность и сложность условий эксплуатации в
шахте;
-
наличие средств защиты от к.з. (в составе схем автоматиче-
ских выключателей и пускателей) и от утечек тока на землю (с функ-
цией воздействия на автоматический выключатель КТП), действие
которых состоит в отделении энергетического потока со стороны пи-
тающей трансформаторной подстанции от места повреждения сети;
-
обязательность применения защиты от утечек тока на землю в
шахтных участковых электросетях определена действующими норма-
тивными документами по электробезопасности эксплуатации руд-
ничного электрооборудования. Функция этой защиты распространя-
ется на трёхфазные сети промышленной частоты, сети постоянного
тока и комбинированные трёхфазные сети с преобразователями час-
тоты;
-
принцип выявления цепи утечки тока на землю, применяемый
в современных аппаратах защиты, основанный на сравнении опера-
тивного и эталонного параметров, применении реле в качестве ис-
полнительного устройства с нормально включенным состоянием и
входного фильтра в цепи оперативного тока обеспечивает достиже-
ние достаточного быстродействия и точности отработки защитной
функции, контроль исправности схемы защиты. Функция ограниче-
ния количества электричества в цепи утечки тока на землю обеспечи-
вается объединением функций быстродействующего отключения на-
пряжения питания сети и замыкания на землю повреждённой фазы
через сопротивление малой величины – распространяется на состав-
ляющие силовых присоединений сети на всё время их гальванической
связи с цепями выхода КТП и прекращается в силовых присоедине-
ниях на выходах коммутационных аппаратов ЭТК после их отключе-
ния;
-
обратные энергетические потоки АД потребителей, находя-
щихся в режиме выбега, способны поддерживать во включенном со-
стоянии контакторы пускателей, создавать уравнительные токи в уча-
стковой электросети и осуществлять электропитание аварийных мест
(цепь утечки тока на землю, место возникновения короткого замыка-
ния) после защитного отключения напряжения питания ЭТК. Этим
создаются опасные условия эксплуатации шахтного участкового
электротехнического комплекса, что обусловливает целесообразность
80
отделения обратных энергетических потоков АД от мест поврежде-
ния электросети (в случае возникновения в ней аварийных или опас-
ных состояний).
Попытка применения в предшествующие годы защиты с функ-
цией опережающего обесточивания аварийного присоединения по
отношению к моменту возникновения взрыва метано-воздушной сме-
си доказала целесообразность быстродействующего отделения от
электросети обратных энергетических потоков АД, одновременно со
срабатыванием средств защитного отключения и неприемлемость
подчинения действия средств отделения обратных ЭДС АД воздейст-
вию внешнего централизованного устройства защиты.
Тенденция относительно повышения мощностей технологиче-
ских установок участка шахты предполагает применение напряжения
повышенного номинального уровня, кабелей увеличенных длин и се-
чений. В совокупности, это обусловливает увеличение времени суще-
ствования опасного уровня тока в аварийной точке кабеля, генери-
руемого обратным энергетическим потоком АД или совокупностью
двигателей многомашинного электротехнического комплекса. Кроме
того, это обусловливает усиление влияния коммутационных переход-
ных процессов относительно электрических параметров структурных
составляющих ЭТК, что подтверждает целесообразность исследова-
ния динамических состояний участковых электросетей повышенной
мощности (с увеличенными параметрами ёмкости изоляции кабелей).
Таким образом, практическую актуальность приобретает задача
повышения эффективности эксплуатации современных рудничных
участковых электротехнических комплексов на основе развития тео-
рии и принципов построения средств их защитного обесточивания.
81
РАЗДЕЛ 2
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ В КОНТЕКСТЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ ПРИ КОММУТАЦИИ
СИЛОВЫХ ПРИСОЕДИНЕНИЙ УЧАСТКОВОГО
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ШАХТЫ
2.1 Определение особенностей воздействия коммутационного
переходного процесса на величины электрических парамет-
ров электротехнического комплекса как актуальная задача
совершенствования методики исследования его динамиче-
ских состояний
Эффективность эксплуатации шахтных ЭТК обусловливает ак-
туальность определения степени влияния динамического состояния
участковой электросети относительно препятствования выполнению
защитных функций. Поскольку участковая электросеть постоянно на-
ходится под контролем со стороны источника оперативного парамет-
ра аппарата защиты от утечек тока на землю, указанную задачу целе-
сообразно решить в контексте исследования динамических процессов
в системе "распределённая кабельная сеть – устройство формирова-
ния оперативного параметра АЗ" в условиях коммутации силовых
присоединений.
Несмотря на отсутствие статистических данных относительно
ложного срабатывания АЗ из-за действия коммутационных переход-
ных процессов в сетях с нормируемыми показателями ёмкости изоля-
ции кабелей, случаи таких срабатываний при эксплуатации предыду-
щих разработок АЗ (последовательное подключение измерительного
элемента в цепь оперативного тока) имели место. Кроме этого, кон-
такторная коммутация силовых кабельных присоединений из-за за -
рядно-разрядных процессов в отношении ёмкости изоляции [83, 84],
создаёт импульсы перенапряжений, воздействие которых на электри-
ческие параметры структурных составляющих ЭТК требует отдель-
ных исследований. Это тем более актуально, учитывая принципиаль-
ную возможность (необходимость) применения кабелей увеличенных
длин и сечений при эксплуатации электромеханического оборудова-
ния повышенной мощности и вероятность увеличения ёмкостей изо-
ляции силовых присоединений сверх нормируемых (в настоящее
82
время) показателей. Влияние контакторной коммутации силового
присоединения иллюстрируется осциллограммами, полученными при
исследовании стенда (рис. 2 .1) и определяет зависимость амплитуды
оперативного параметра АЗ от величины ёмкости изоляции сети и
коммутируемого присоединения.
Общим свойством процесса является формирование импульса
оперативного параметра (Upэ) в схеме реагирующего элемента АЗ в
момент контакторной коммутации силового присоединения. Можно
выделить три характерных состояния объекта исследования [85]:
-
отсутствие команды UАВ на отключение АВ SА (параметры
сети: суммарная ёмкость изоляции C<1,0 мкФ/фазу; максимальная
ёмкость изоляции коммутируемого присоединения C=0,15 мкФ/фазу,
нормируется по ГОСТ 22929-78 [54]);
-
наличие команды UАВ, продолжительность которой недоста-
точна для отключения автоматического выключателя SF (параметры
сети: суммарная ёмкость изоляции 1,0 мкФ/фазу максимальная ём-
кость изоляции коммутируемого присоединения от 0,16 мкФ/фазу до
0,24 мкФ/фазу; рис. 2 .2);
-
наличие продолжительной команды UАВ на отключение АВ
SА (параметры сети: суммарная ёмкость изоляции C>1,0 мкФ/фазу;
максимальная ёмкость изоляции коммутируемого присоединения
превышает 0,24 мкФ/фазу; (рис. 2.3).
Р=55 кВт
Рисунок 2.1 - Схема стенда для исследования влияния коммутационных
переходных процессов на параметры контролируемого сигнала
в схеме аппарата защиты от утечек тока на землю (типа АЗУР)
S=400 кВА SA
KM
M1
UАВ
UРЕ UОП UРЕ UОП UК
АЗ (АЗУР-1; АЗУР-4)
1-й канал
2-й канал
ОСЦИЛЛОГРАФ
R= 20÷40 кОм
С=0,1÷1,5мкФ
83
Рисунок 2.2 - Осциллограммы параметров в контролируемых точках ( C
C
=0,2 мкФ/фазу,
из
R =32 кОм/фазу): A
u,B
u,C
u - напряжения фаз А, В, С;
.
.н
см
U
-
напряжение смещения нейтрали;
1.
.э
р
U - напряжение на реаги-
рующем элементе АЗУР (1-й измерительный канал); 1
оп
U - опорное на-
пряжение 1-го измерительного канала АЗУР;
2.
.э
р
U - напряжение на реа-
гирующем элементе АЗУР (2-й измерительный канал); 2
оп
U - опорное на-
пряжение 2-го измерительного канала АЗУР; k
U - напряжение выхода
компаратора АЗУР; АВ
U - напряжение датчика срабатывания автомати-
ческого выключателя сети
Uсм.н
Uрэ1
Uрэ2
84
Рисунок 2.3 - Осциллограммы параметров в контролируемых точках ( C
C
=0,25 мкФ/фазу,
из
R =32 кОм/фазу): A
u,B
u,C
u - напряжения фаз А, В, С;
.
.н
см
U
-
напряжение смещения нейтрали;
1.
.
э
р
U
-
напряжение на реаги-
рующем элементе АЗУР (1-й измерительный канал); 1
оп
U - опорное напря-
жение 1-го измерительного канала АЗУР;
2.
.
э
р
U
-
напряжение на реаги-
рующем элементе АЗУР (2-й измерительный канал); 2
оп
U - опорное напря-
жение 2-го измерительного канала АЗУР; k
U - напряжение выхода компа-
ратора АЗУР; АВ
U - напряжение датчика срабатывания автоматического
выключателя сети
Uсм.н
Uрэ1
Uрэ2
85
2.2 Участковый электротехнический комплекс шахты в усло-
виях воздействия контакторной коммутации в контексте оп-
ределения состояний его структурных составляющих мето-
дами математического моделирования
Структура шахтного участкового ЭТК отличается сложностью и
требует совершенствования методов исследования её динамических
состояний. В соответствии с этим, ЭТК может быть представлен схе-
мой замещения (рис. 2.4 и 2.5), включающей следующие элементы:
А0 – вторичная обмотка трансформатора КТП и автоматический вы-
ключатель (АВ); А1 – схема формирователя оперативного параметра
аппарата защиты от утечек тока на землю АЗУР-1; А2 – активно-
ёмкостное сопротивление изоляции магистрального кабеля; А3; А6 –
коммутационные аппараты, соответственно, 1-го и 2-го присоедине-
ний; А4; А7 – активно-индуктивная нагрузка, соответственно, 1-го и
2-го присоединений (имитация асинхронных двигателей М1и М2);
А5; А8 – активно-ёмкостное сопротивление изоляции гибкого кабеля,
соответственно, 1-го и 2-го присоединения; А9 – сопротивления зем-
ли между заземленными точками схемы [86].
Магистральный и гибкие кабели ЭТК должны быть представле-
ны трёхфазными системами активных и ёмкостных сопротивлений их
изоляции (на землю). Активно-индуктивными сопротивлениями си-
ловых жил кабелей можно пренебречь в виду их малых значений.
Каждое силовое присоединение представляется гибким кабелем оп-
ределённого сечения и длины, подключенным к вводу АД, параметры
которого учитываются трёхфазной системой активных и индуктив-
ных сопротивлений (соответственно типу асинхронного двигателя).
В процессе создания математической модели такой системы це-
лесообразно выделение отдельных узлов схемы и принятие соотно-
шений между потенциалами соответствующих точек (0-7) при усло-
вии φ0>φ1>φ2>...>φn. Разность потенциалов между узлами 0-1...0-7
определяется соотношением:
i
i
u
φ
φ−
=
0
0
;
(2.1)
где і – номер узла от 1 до 7, соответственно расчётной схеме (рис.
2.4).
86
φ3
А3
А6
А7
А4
iM1c
i2a
А1
(АЗУР)
R1’
R6’
R4’
R3’
R5’
Rk1a
R2’
Rk1b
Rk1c
Rk2a
Rk2
0
Rk2c
Zиз1
Zиз1
Zиз1c
Zиз2
Zиз2
Zиз2c
Zиз0
Zиз0
Zиз0c
ZM1c
ZM1a
Z
M
1
b
ZM2c
ZM2a
Z
M
2
b
RABa
RABc
R
A
B
b
Ua
Ub
Uc
0
φ0
2
φ2
φ5
3
5
4
φ4
15
16
17
18
19
20
А0
А2
А9
А8
А5
7
6
iM2a
i2b
i2c
i1c
i1b
i1a
Iиз1
Iиз2a
і2’
і1’
і4’
і6’
і3’
і5’
і из0a
і АЗb
і из0b
і АЗa
і АЗc
і из0c
іc
іb
іa
iM2c
iM1a
i
M
2
b
i
M
1
b
Iиз2c
Iиз2b
Iиз1c
Iиз1b
~
~
~
Zиз
Rиз
Cиз
ZМ
RМ
LМ
Рисунок 2.4 – Схема замещения шахтного участкового электротехнического
комплекса с учётом распределённости структуры
87
Аналогично этому, напряжения между другими узлами описываются
уравнениями [59]:
02
03
0
2
3
0
1
1
3
2
23
u
u
R
i
u
−
=
−
+
−
=
′
′
=
−
=
φ
φ
φ
φ
φ
φ
;
(2.2)
02
04
0
2
4
0
2
2
4
2
24
u
u
R
i
u
−
=
−
+
−
=
′
′
=
−
=
φ
φ
φ
φ
φ
φ
;
(2.3)
02
05
0
2
5
0
3
3
5
2
25
u
u
R
i
u
−
=
−
+
−
=
′
′
=
−
=
φ
φ
φ
φ
φ
φ
;
(2.4)
03
04
0
3
4
0
4
4
4
3
34
u
u
R
i
u
−
=
−
+
−
=
′
′
=
−
=
φ
φ
φ
φ
φ
φ
;
(2.5)
03
05
0
3
5
0
5
5
5
3
35
u
u
R
i
u
−
=
−
+
−
=
′
′
=
−
=
φ
φ
φ
φ
φ
φ
,
(2.6)
где 1
R′-
5
R′ - сопротивления контура "земля" между заземленными
узлами схемы;
2
1
12
φ
φ−
=
u
;
12
01
2
1
1
0
2
0
02
u
u
u
+
=
−
+
−
=
−
=
φ
φ
φ
φ
φ
φ
Токи, протекающие в контуре "земля" между узлами 2.5, могут
быть определены из выражений (2.2)-(2.6):
R1a
L1a
R1a
L1a
iАЗа
iАЗb
iАЗc
iАЗc
iАЗа
R1c
L1c
R1b
L1b
R1b
L1b
R1c
L1c
Рисунок 2.5 – Структуры схем аппаратов защиты от утечек тока на землю
АЗУР-1 (а) и АЗУР-4 (б) в схеме замещения шахтного участкового элек-
тротехнического комплекса (рис.2.4): Сэк - эквивалентная ёмкость,
R эк - эквивалентное сопротивление
a
б
φ1
φ1
1
А
φ2
φ2
iАЗb
Rэк
Rэк
Rэк
Rэк
Сэк
Сэк
88
1
02
03
1
R
u
u
i
′
−
=
′
;
(2.7)
2
02
04
2
R
u
u
i
′
−
=
′
;
(2.8)
3
02
05
3
R
u
u
i
′
−
=
′
;
(2.9)
4
03
04
4
R
u
u
i
′
−
=
′
;
(2.10)
5
03
05
5
R
u
u
i
′
−
=
′
;
(2.11)
6
04
05
6
R
u
u
i
′
−
=
′
.
(2.12)
Представление объекта исследования детальной схемой замеще-
ния позволяет определить мгновенные значения токов в узлах участ-
ковой сети (в соответствии с первым законом Кирхгоффа):
Узел 0
0
=
+
+
c
b
a
i
i
i
;
(2.13)
Узел 1
3
2
1
i
i
і
і
і
i
АЗc
АЗb
АЗа
+
=
=
+
+
;
(2.14)
Узел 2
3
2
1
1
i
i
i
i
′
+
′
+
′
=
;
(2.15)
Узел 3
5
4
1
0
0
0
i
i
i
i
i
i
c
из
b
из
a
из
′
+
′
=
′
+
+
+
;
(2.16)
Узел 4
6
4
2
1
1
1
i
i
i
i
i
i
c
из
b
из
a
из
′
=
′
+
′
+
+
+
;
(2.17)
Узел 5
0
5
6
3
2
2
2
=
′
+
′
+
′
+
+
+
i
i
i
i
i
i
c
из
b
из
a
из
;
(2.18)
откуда:
b
из
a
из
c
из
i
i
i
i
i
i
0
0
5
4
1
0
)
(
−
−
′
+
′
+
′
−
=
;
(2.19)
b
из
a
из
c
из
i
i
i
i
i
i
1
1
6
4
2
1
)
(
−
−
′
+
′
−
′
−
=
;
(2.20)
b
из
a
из
c
из
i
i
i
i
i
i
2
2
6
5
3
2
)
(
−
−
′
−
′
−
′
−
=
.
(2.21)
где индексами "а"; "b"; "с" обозначены соответствующие фазы сети.
Аналогично этому определяются мгновенные токи в других узлах
объекта исследования:
89
Узел 6
0
1
1
1
=
+
+
c
Ì
b
Ì
a
Ì
i
i
i
;
(2.22)
Узел 7
0
2
2
2
=
+
+
c
Ì
b
Ì
a
Ì
i
i
i
;
(2.23)
Узел 8, 9
5
4
8
i
i
i
+
=
;
(2.24)
Узел 10, 11
7
6
10
i
i
i
+
=
;
(2.25)
Узел 12
a
а
a
из
АЗa
a
i
i
i
i
i
2
1
0
+
+
+
=
;
(2.26)
Узел 13
b
b
b
из
АЗb
b
i
i
i
i
i
2
1
0
+
+
+
=
;
(2.27)
Узел 14
c
c
c
из
АЗc
c
i
i
i
i
i
2
1
0
+
+
+
=
;
(2.28)
Узел 15
a
из
a
M
a
i
i
i
1
1
1
+
=
;
(2.29)
Узел 16
b
из
b
M
b
i
i
i
1
1
1
+
=
;
(2.30)
Узел 17
c
из
c
M
c
i
i
i
1
1
1
+
=
;
(2.31)
Узел 18
a
из
a
M
a
i
i
i
2
2
2
+
=
;
(2.32)
Узел 19
b
из
b
M
b
i
i
i
2
2
2
+
=
;
(2.33)
Узел 20
c
из
c
M
c
i
i
i
2
2
2
+
=
.
(2.34)
С целью определения функции влияния коммутационного пере-
ходного процесса может быть добавлена математическая модель из-
мерительной части аппарата защиты от утечек тока на землю (кон-
кретного типа) с учётом реальных параметров элементов участковой
сети. Научные подходы к моделированию АЗ в конкретных условиях
его эксплуатации, приведенные в [87], приемлемы для применения в
обобщённой модели участкового ЭТК. В частности, мгновенные зна-
чения токов іАЗа и іАЗb в фазах "А"; "В" дросселя присоединения АЗ
могут бать получены в последовательности вычислений (табл. 2.1.)
Напряжения на силовых цепях фаз автоматического выключателя
uАВа, uАВb, uАВс вычисляются как произведение тока соответствующей
фазы (іа,іb,іc) на сопротивление между контактами силовой коммута-
ционной группы (RАВа, RАВb, RАВс):
ABa
a
ABa
R
i
u
⋅
=
;
ABb
b
ABb
R
i
u
⋅
=
;
ABc
c
ABc
R
i
u
⋅
=
.
(2.35)
Электрические параметры элементов измерительной части аппа-
рата защиты от утечек тока на землю учитываются в соответствии со
структурой его электрической схемы (рис. 2.5, табл. 2.2). В совокуп-
90
ности функциональные зависимости токов и напряжений (табл. 2 .2)
составляют математическую модель реагирующего органа АЗ в соот-
ветствии со схемой аппарата конкретного типа. Влияние коммути-
руемого активно-индуктивного присоединения (RM1; LM1) (АД потре-
бителя) определяется величинами соответствующих фазных токов
іМ1а; іМ1b; іМ1с, обусловленных напряжениями uМ1а; uМ1b; uМ1с; на фазах
двигателя и определяемых напряжениями между узлами "0"; "6" схе-
мы замещения (рис. 2.4):
⎪⎩
⎪⎨
⎧
+
+
+
−
=
+
+
+
−
=
+
+
+
−
=
,
;
;
1
1
06
1
1
06
1
1
06
c
M
c
K
ABc
c
b
M
b
K
ABb
b
a
M
a
K
ABa
a
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
(2.43)
где
a
M
u 1 - напряжение на активно-индуктивном сопротивлении
a
M
R1,
a
M
L 1 фазы "А" двигателя 1-ого присоединения;
b
M
u1,
c
M
u 1 -анало-
гичные параметры для фаз "В" и "С";
a
K
u1,
b
K
u1,
c
K
u 1 - напряжения на
фазах коммутационного аппарата 1-ого присоединения.
Из первых двух уравнений системы (2.43) выразим напряжения
на фазах двигателя:
⎪⎩
⎪⎨
⎧
+
+
+
−
=
+
−
−
=
+
−
−
=
.
;
)
(
;
)
(
1
1
06
06
1
1
06
1
1
c
M
c
K
ABc
c
b
K
ABb
b
b
M
a
K
ABa
a
a
M
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
(2.44)
Таблица 2.1 – Последовательность вычислений при определении па-
раметров іАЗа и іАЗв (рис. 2 .5, а)
No шага
вычислений
Наименование
параметра
Функциональные зависимости
1
Падение напря-
жения между уз-
лами0и1схемы
замещения
(рис. 2.4)
⎪⎩
⎪⎨
⎧
+
+
−
=
+
+
−
=
+
+
−
=
,
;
;
01
01
01
Tc
ABc
c
Tb
ABb
b
Ta
ABa
a
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
(2.36)
где uа, ub, uс – фазные напряжения
источника питания участковой сети
91
No шага
вычислений
Наименование
параметра
Функциональные зависимости
2
Напряжения Ta
u,
Tb
u,Tc
u на фазах
дросселя присое-
динения АЗ
⎪⎩
⎪⎨
⎧
+
+
−
=
+
−
=
+
−
=
.
;
)
(
;
)
(
01
01
01
Tc
ABc
c
ABb
b
Tb
ABa
a
Ta
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
(2.37)
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
+
=
+
=
+
=
,
;
;
dt
di
L
R
i
u
dt
di
L
R
i
u
dt
di
L
R
i
u
АЗc
Tc
Tc
АЗc
Tc
АЗb
Tb
Tb
АЗb
Tb
АЗa
Ta
Ta
АЗa
Ta
(2.38)
3
Фазные токи іАЗа
и іАЗв
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎨
⎧
−
=
−
=
;
;
Tb
Tb
АЗb
Tb
АЗb
Ta
Ta
АЗa
Ta
АЗa
L
R
i
u
dt
di
L
R
i
u
dt
di
(2.39)
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎨
⎧
+
−
=
+
−
=
∫
∫
).
0(
);
0(
АЗb
Tb
Tb
АЗb
Tb
АЗb
АЗa
Ta
Ta
АЗa
Ta
АЗa
i
dt
L
R
i
u
i
i
dt
L
R
i
u
i
(2.40)
Таблица 2.2 - Величина токов и напряжений структурных
составляющих измерительной части аппаратов защиты
от утечек тока на землю АЗУР-1 и АЗУР-4
No
Тип ап-
парата
защиты
Наименование параметра и его математическое описание
1 АЗУР-1 Напряжение между узлами "1" і "2" схемы замещения
2
1
2
2
1
2
2
1
12
)
(
u
u
dt
di
L
R
R
R
i
u
к
к
′
+
′
+
+
+
+
=
−
=
φ
φ
,
(2.41)
где 1
u′ - напряжение между узлами 8 и 9 схемы замещения; 2
u′-
напряжение между узлами 10 и 11 схемы замещения (рис. 2.4)
92
No
Тип ап-
парата
защиты
Наименование параметра и его математическое описание
АЗУР- 4
BF
к
к
к
u
dt
di
L
i
R
u
+
+
=
2
12
(2.42)
где BF
u′ - напряжение между узлами "B" и "F" схемы замещения
(рис. 2 .5)
2 АЗУР-1 Токи отдельных контуров реагирующего органа АЗ
ш
R
u
i12
3=
dt
u
d
C
i
ек
1
5
′
=
dt
u
d
C
i
p
2
6
′
=
dt
u
d
C
i
i
i
i
ек
1
2
5
2
4
′
−
=
−
=
dt
u
d
C
i
i
i
i
p
2
2
6
2
7
′
−
=
−
=
3
1
2
i
i
i
−
=
=
ш
R
u
i12
1−
5
4i
i+
=
7
6i
i+
=
АЗУР-4
ш
R
u
i12
3=
ек
СЕ
R
u
i=
7
5
10
4
i
i
i
−
=
7
4
6
i
i
i
−
=
3
1
2
i
i
i
−
=
2
5
R
u
u
i
DE
BE−
=
9
5
8
i
i
i
−
=
=
5
3
5
R
R
u
i
DE
+
−
10
2
11
i
i
i
−
=
=
оп
BE
oп
BF
R
u
U
u
i
−
+
−
2
3 АЗУР-1 Напряжения отдельных контуров реагирующего
органа АЗ
оп
внU
R
i
u
−
=
′
4
1
оп
ек
вн
U
dt
u
d
C
i
R
−
′
−
=
)
(
1
2
)0(1
1
2
u
dt
R
С
u
U
i
R
вн
ек
оп
вн
′
+
′
−
−
=
∫
7
2
i
R
u
ек
=
′
)
(
2
2
dt
u
d
C
i
R
p
ек
′
−
=
)0(2
2
2
u
dt
С
R
u
i
р
ек
′
+
′
−
=
∫
АЗУР-4
BF
к
к
к
AF
u
dt
di
L
i
R
u
+
+
=
2
)0(
1
11
BF
p
BF
u
dt
i
C
u
+
=
∫
BE
оп
u
R
i
U
+
+
−
=
10
10
CE
BE
u
R
i
u
+
=
4
4
+
=
4
4R
i
)0(
1
6
CE
eк
u
dt
i
C
+
∫
9
5
5
i
R
uR=
(падение напряжения на резисторе R5)
93
Напряжение
a
M
u 1 определяется уравнением:
dt
di
L
R
i
u
a
M
a
M
a
M
a
M
a
M
1
1
1
1
1
+
=
.
(2.45)
Интегрированием определяются величины токов
a
M
i1и
b
M
i1:
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎨
⎧
+
−
=
+
−
=
∫
∫
.
)0(
;)0(
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
b
M
b
M
b
M
b
M
b
M
b
M
a
M
a
M
a
M
a
M
a
M
a
M
i
dt
L
R
i
u
i
i
dt
L
R
i
u
i
(2.46)
Величины тока
c
M
i 1 определяются в соответствии с зависимостью
(2.22). Математическая модель кабельных присоединений предпола-
гает определение мгновенных значений токов параллельных активно-
ёмкостных цепей, которыми являются сопротивления изоляции кабе-
лей, а также напряжений на этих цепях. Разработку такой модели це-
лесообразно выполнять отдельно: для магистрального кабеля и для
гибких кабелей радиальной схемы подключения потребителей.
Таким образом, токи іиз0a; іиз0b; іиз0c в сопротивлениях изоляции
магистрального кабеля обусловлены напряжениями u0a; u0b; u0c на
этих сопротивлениях и определяются напряжениями между узлами
"0"; "3" схемы замещения (рис. 2.4), а именно:
⎪⎩
⎪⎨
⎧
+
+
−
=
+
+
−
=
+
+
−
=
,
;
;
0
03
0
03
0
03
c
ABc
c
b
ABb
b
a
ABa
a
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
(2.47)
где a
u0 - напряжение на параллельно соединённых активном сопро-
тивлении и ёмкости изоляции (относительно земли) магистрального
кабеля по фазе "А", т.е. напряжение между узлами 12 и 3 схемы за-
мещения (рис. 2 .1); b
u0,
c
u0 - аналогичные величины для фаз "В" и
"С".
⎪⎩
⎪⎨
⎧
+
+
−
=
+
−
=
+
−
=
.
;
)
(
;
)
(
0
03
03
0
03
0
c
ABc
c
ABb
b
b
ABa
a
a
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
(2.48)
Ток
а
из
i 0 через активно-ёмкостные сопротивления фазы "А" ма-
гистрального кабеля относительно земли состоит из активной
а
из
і0
′
и
ёмкостной
а
из
і0
′′
составляющих:
94
а
из
а
из
а
из
і
і
i
0
0
0
′′
+
′
=
,
(2.49)
которые определяются выражениями:
a
a
а
из
R
u
і
0
0
0=
′
,
(2.50)
dt
du
C
і
a
a
а
из
0
0
0=
′′
.
(2..51)
Общий ток фазы "А"
а
из
i 0 , и, аналогично, ток фазы "В"
b
из
i0,
определяются дифференциальными уравнениями первого порядка:
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎨
⎧
+
=
+
=
.
;
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
dt
du
C
R
u
i
dt
du
C
R
u
i
b
b
b
b
b
из
a
a
a
a
а
из
(2.52)
Мгновенные значения тока
с
из
i 0 определяются из соотношения
(2.19). Построение математической модели кабельных присоедине-
ний радиальной схемы (гибких кабелей) осуществляется аналогично с
учётом напряжения между узлами "0" и "4" схемы (рис. 2.4):
⎪⎩
⎪⎨
⎧
+
+
+
−
=
+
+
+
−
=
+
+
+
−
=
,
;
;
1
1
04
1
1
04
1
1
04
c
c
K
ABc
c
b
b
K
ABb
b
а
а
K
ABa
a
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
(2.53)
где а
u1 - напряжение на параллельно присоединённых активном со-
противлении a
R1 и ёмкости a
C1 изоляции фазы "А" гибкого кабеля
первого присоединения электротехнического комплекса; b
u1,
c
u1-
аналогичные параметры для фаз "В" и "С".
Приведём систему (2.53) к виду:
⎪⎩
⎪⎨
⎧
+
+
+
−
=
+
−
−
=
+
−
−
=
.
;
)
(
;
)
(
1
1
04
04
1
1
04
1
1
c
c
K
ABc
c
b
K
ABb
b
b
а
K
ABa
a
a
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
(2.54)
Токи утечки на землю через изоляцию фаз "А" и "В" гибкого ка-
беля первого присоединения определяются выражениями:
95
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎨
⎧
+
=
+
=
.
;
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
dt
du
C
R
u
i
dt
du
C
R
u
i
b
b
b
b
b
із
a
a
a
a
а
із
(2.55)
Ток утечки
c
из
i 1 определяется по первому закону Кирхгоффа из
соотношения (2.20). Зависимости (2.54), (2.55) представляют собой
математическую модель изоляции гибкого кабеля. Ток утечки на зем-
лю через изоляцию фазы "С" гибкого кабеля первого присоединения
определяется из выражения (2.20). Напряжение c
u1 на параллельном
присоединении c
R1иc
C1 определяется как:
)0(1
1
1
1
1
1
c
c
c
c
с
из
c
u
dt
C
R
u
i
u
+
−
=
∫
.
(2.56)
Математическое описание второго присоединения системы со-
ставляется аналогично. Таким образом, описание состояний отдель-
ных структурных составляющих шахтного ЭТК в своей совокупности
создаёт его обобщённую математическую модель и обусловливает
соответствующую структуру компьютерной модели объекта, что по-
зволяет: исследовать состояние сети в установившихся и в переход-
ных режимах, обусловленных коммутациями присоединений.
Появляется возможность расчёта: токов в фазах каждого эле-
мента сети, в том числе, оперативного тока аппарата защиты и тока,
протекающего через измерительный элемент АЗУР-1 (напряжения на
измерительном элементе АЗУР-4); падения напряжения на элементах
системы, а также напряжения между нулевой точкой трансформатора
КТП и контуром "земля".
К свойствам этой модели следует отнести возможность: задавать
требуемые значения параметров элементов системы; характер комму-
таций силовых присоединений (идеальная, неодновременная пофаз-
ная, управляемая и др.), и учитывать случайный характер варьирова-
ния данных параметров; выявлять момент срабатывания АЗ; модели-
ровать симметричные и несимметричные режимы функционирования
участкового электротехнического комплекса.
96
2.3 Обобщение результатов исследования свойств контак-
торной коммутации силового присоединения
Предложенные принципы моделирования позволяют определять
электрические параметры структурных составляющих участкового
электротехнического комплекса в его динамических состояниях, что
иллюстрируется на примере исследования воздействия коммутацион-
ного переходного процесса (контакторная коммутация силового ка-
бельного присоединения) на величину оперативного параметра АЗ.
Такая функция воздействия имеет место при отключении силового
присоединения контактором и обусловлена кратковременным изме-
нением параметров напряжения между нулевой точкой вторичной
обмотки трансформатора КТП (узел "0", рис. 2.4) и контуром "земля"
(узел "3"). В допущении об идеальном характере коммутации иллю-
страция этого процесса приведена на рис. 2.6 и поясняется следую-
щим. Напряжение 03
u характеризуется наличием постоянной и пере-
менной составляющих. Постоянная составляющая обусловлена нали-
чием источника оперативного напряжения оп
U в схеме АЗ, а пере-
менная – несимметрией фаз системы. До момента t′ для заданных па-
раметров системы постоянная составляющая 03
u
(в сети линейного
напряжения 660 В) составляет порядка 125 В, а амплитуда перемен-
ной составляющей - 15 В. В момент t′ имеет место отключение пер-
вого присоединения, что сопровождается увеличением напряжения
03
u (до 100 В, т.е . на 220 В), после чего в течение 0,05 с напряжение
03
u уменьшается до установившегося состояния. Последнее характе-
ризуется несколько бóльшими значениями постоянной составляющей
(-100 В) и амплитуды переменной составляющей (20В) в сравнении с
докоммутационным режимом [86]. Токовый бросок напряжения меж-
ду нулевой точкой трансформатора КТП и контуром "земля" объяс-
няется изменением угла смещения фаз между векторами напряжения
и тока системы при коммутации, что сопровождается изменением на-
пряжения на активно-ёмкостных сопротивлениях изоляции неотклю-
чаемой части сети. Диаграммы мгновенных значений напряжений
a
u0-c
u0 на сопротивлениях изоляции фаз "А"-"С" магистрального
кабеля относительно земли представляют собой реакцию системы на
контакторное отключение силового присоединения в момент времени
t’. Анализ параметров токов (рис. 2 .7) в контуре "земля" позволяет
97
сделать следующие выводы. В момент t′ в кривых токов 1i′ -
6i′ наблю-
дается резко выраженная переходная составляющая. В посткоммута-
ционном устойчивом режиме с отключением первого присоединения
токи в сопротивлениях изоляции его гибкого кабеля становятся рав-
ными нулю ( а
из
i1=
b
из
i1=
c
из
i 1 =0), а зависимость (2.25) преобразовыва-
ется к виду:
0
4
2
6
=
′
−
′
−
′
i
i
i
. Это ведёт к изменению величин токов 1i′ -
6i′ .
Кратковременное увеличение напряжения между нулевой точ-
кой вторичной обмотки трансформатора КТП и землей воздействует
на электрические параметры в измерительном элементе АЗ, т.к. он
подключен между узлами 12-14 и 2 (рис. 2 .4). В момент t′ отключе-
ния коммутационным аппаратом присоединения наблюдается скач-
кообразное увеличение тока 7i аппарата защиты АЗУР-1 с после-
дующим экспоненциальным снижением до величины, обусловленной
активным сопротивлением изоляции сети в посткоммутационном со-
стоянии [85]. Такое кратковременное повышение тока в момент ком-
мутации присоединения сети способно инициировать ложное сраба-
тывание аппарата защиты от утечек тока на землю.
Допущение о том, что импульс напряжения между нулевой точ-
кой трансформатора и землёй воздействует на переменную состав-
ляющую тока через измерительный элемент АЗ изменением заряда
ёмкостей изоляции сети, подтверждается диаграммами (рис. 2.8) тока
7i через измерительный элемент АЗУР-1 в допущении, что величина
оперативного напряжения АЗ значительно меньше линейного напря-
жения сети. Анализ характера влияния коммутационного переходно-
го процесса на процесс формирования оперативного параметра АЗ
следует проводить применительно к конкретной электрической схеме
с учётом реакции напряжения между источником питания и контуром
"земля" и тока этого контура на изменение сопротивлений изоляции в
момент контакторной коммутации присоединения.
98
Установлены факты превышения оперативным параметром по-
рога срабатывания АЗ вследствие воздействия переходного коммута-
ционного процесса в участковой электросети со сверхнормируемыми
показателями ёмкости изоляции кабелей. При этом, формирование
амплитуд импульсов оперативного параметра является процессом
стохастическим (рис.2 .8) и обусловливается состоянием напряжений
в сети в момент t’ коммутации, одновременностью либо неодновре-
менностью коммутации фаз, продолжительностью проводящего со-
стояния контактора в процессе коммутации (в связи с дугообразова-
нием), т.е . ложное срабатывание АЗ из-за воздействия контакторной
коммутации может возникать с определённой вероятностью.
t,c
t,c
t,c
t,c
u03, B
u0a, B
u0b, B
u0c, B
a)
б)
в)
д)
t′
Рисунок 2.6 - Диаграмма изменения напряжения 03
u
между узлами 0 и 3 сети (а), мгновенные значения напряжений
a
u0- c
u0 на сопротивлениях изоляции фаз А-С
магистрального кабеля относительно земли (б-д)
99
Важной составляющей в структуре математической модели объ-
екта следует считать учёт смещения нейтрали системы m
U в процессе
отключения присоединения во время неодновременной пофазной
коммутации, представленный функциональными зависимостями (рис.
2.9), полученными в ходе исследования [87] при обобщённых пара-
метрах АД нагрузки: R=0,2 Ом; L=0,02 Гн. С учётом тенденции к уве-
личению ёмкости изоляции кабелей шахтных участковых электросе-
тей проблематика повышения устойчивости АЗ против влияния ком-
мутационных переходных процессов приобретает ещё бóльшую акту-
альность.
,мА
t,c
a)
1i′
,мА
2i′
,мА
3i′
,мА
4i′
,мА
5i′
,мА
t,c
t,c
t,c
t,c
t,c
б)
в)
д)
ж)
6i′
t′
t′
Рисунок 2.7 – Диаграммы изменения токов в контуре «земля»,
полученные моделированием переходного процесса в системе
при отключении 1-го присоединения и допущении
об идеальном характере коммутации
100
Рисунок 2.8 – Расчётные диаграммы тока через измерительный элемент
АЗУР-1 при случайных моментах отключения присоединения с ёмкостью
изоляции 0,25 мкФ/фазу в сети с общей ёмкостью 1,1 мкФ/фазу:
а- t′ = 2,2311c,i7max= 5,58mА;б- t′ = 2,6068c,i7max= 3,45mА;
в- t′ = 2,8913c,i7max= 5,30mА;д- t′ = 2,4725c,i7max= 5,42mА
а)
в)
д)
б)
t,c
t,c
t,c
t,c
i7, мА
i7, мА
i7, мА
i7, мА
t′=2,2311 с
t′
t′=2,6068 с
t′=2,8913 с
t′=2,4725 с
t′
t′
t′
Рисунок 2.9 - Кривые, иллюстрирующие изменение амплитуды напряже-
ния смещения нейтрали Um в процессе отключения присоединения при
неодновременности пофазной коммутации в зависимости от длины L
неотключаемого участка сети: 1 - Uл=1140 В, ТСВП-1000; 2 - Uл=1140 В,
ТСВП-630; 3 - Uл=660 В, ТСВП-1000; 4 - Uл=660 В, ТСВП-630
L,м
Um, B
101
2.4 Динамические процессы в шахтном участковом электро-
техническом комплексе при применении полупроводниковых
устройств регулируемой коммутации силовых присоедине-
ний
2.4.1 Анализ функционирования средств защитного отключе-
ния цепи утечки тока на землю в условиях применения уст-
ройств регулируемой коммутации асинхронных двигателей
потребителей
Результатом переходного коммутационного процесса в сети
участкового электротехнического комплекса является формирование
импульса оперативного параметра АЗ с увеличенной амплитудой.
Воздействие на этот процесс может происходить как средствами управ-
ления (коррекция структуры и параметров схемы АЗ), так и возмущаю-
щими средствами. К последним можно отнести средства регулируемой
коммутации силовых присоединений (которые способны изменить пара-
метры коммутационных переходных процессов участковой электросети)
[88, 89].
Эффективным средством регулируемой коммутации, применяе-
мым для осуществления плавного пуска асинхронных двигателей, яв-
ляется тиристорный регулятор напряжения (ТРН, система "soft-
Рисунок 2.10 - Расчётная схема фрагмента электросети
с тиристорным коммутатором (регулятором напряжения)
Rиз1 - Rиз3
Сиз1 - Сиз3
102
start") который обеспечивает изменение величины выходного напря-
жения по фазовому принципу. Влияние параметров электросети на
устойчивость АЗ против ложных срабатываний при регулируемой
коммутации может бать исследовано на основе расчётной схемы (рис.
2.10) [90]. Силовой тиристорный регулятор напряжения изменяет
свою проводимость путём изменения угла α отпирания тиристоров
от 180 эл. град. до 0 эл. град. в процессе регулируемого пуска АД и от
0 эл. град. до 180 эл. град. при регулируемой остановке двигателя.
Предметом исследования является определение падения напря-
жения на реагирующем органе АЗ типа АЗУР-4 в зависимости от па-
раметров участковой электросети и характера выполнения регули-
руемой коммутации. В этом случае контактор КМ1 в структурной
схеме (рис. 2.4; рис 2.6) должен бать заменён на тиристорный регуля-
тор напряжения. Предусматривается, что с целью выполнения функ-
ции предварительного контроля изоляции присоединения, отходяще-
го от ТРН, параллельно парам встречно-параллельно соединённых
тиристоров в каждой фазе ТРН присоединено активное сопротивле-
ние.
В процессе моделирования установлено, что регулируемая ком-
мутация АД при использовании ТРН как при пуске, так и при отклю-
чении двигателя не приводит к существенному увеличению опера-
тивного параметра АЗ в сети с совокупной ёмкостью 1,5 мкФ/фазу
при линейном законе изменения угла α отпирания тиристоров ТРН.
Это же подтверждается и результатами эксперимента (рис.2.11 – рис.
2.14), выполненного при регулируемой коммутации присоединения с
ёмкостью изоляции Сс=0,4 мкФ/фазу.
2.4 .2 Анализ функционирования средств защитного отклю-
чения цепи утечки тока на землю в условиях применения уст-
ройств регулируемой коммутации асинхронных двигателей
потребителей
Особенностью предложенной методики исследования параметров
электротехнического комплекса в устойчивых и переходных режимах
является возможность определения состояний отдельных структур-
ных составляющих объекта. Это поясняется на примере определения
условий возникновения автоколебаний параметров в системе "тири-
сторный регулятор напряжения – асинхронный двигатель" при усло-
вии применения системы "soft-start" для управляемого пуска АД.
103
Рисунок 2.11 – Регулируемое включение потребителя ( C
C =0,4 мкФ/фазу,
из
R =32 кОм/фазу): A
u,B
u,C
u - напряжения фазы А, В, С; Ai,Bi ,Ci - ток
фазы А, В, С;
1.
.э
р
U - напряжение на реагирующем элементе АЗУР (1-й изме-
рительный канал); 1
оп
U - опорное напряжение 1-го измерительного канала
АЗУР;
2.
.э
р
U - напряжение на реагирующем элементе АЗУР (2-й измеритель-
ный канал); 2
оп
U - опорное напряжение 2-го измерительного канала АЗУР;
K
U - напряжение выхода компаратора АЗУР; АВ
U - напряжение датчика
срабатывания автоматического выключателя сети
Uрэ2
Uрэ1
104
Рисунок 2.12 - Параметры опыта, соответствующие рис. 2.11
на интервале времени
2
1t
t−
Uрэ2
Uрэ1
105
Рисунок 2.13 – Регулируемое отключение потребителя ( C
C =0,4 мкФ/фазу,
из
R =32 кОм/фазу): A
u,B
u,C
u - напряжения фазы А, В, С; Ai,Bi ,Ci - ток
фазы А, В, С;
1.
.э
р
U - напряжение на реагирующем элементе АЗУР (1-й из-
мерительный канал); 1
оп
U - опорное напряжение 1-го измерительного канала
АЗУР;
2.
.э
р
U - напряжение на реагирующем элементе АЗУР (2-й измери-
тельный канал); 2
оп
U - опорное напряжение 2-го измерительного канала
АЗУР; K
U - напряжение выхода компаратора АЗУР; АВ
U - напряжение
датчика срабатывания автоматического выключателя сети
Uрэ2
Uрэ1
106
Рис. 2.14 - Параметры опыта, соответствующие рис. 2.13
на интервале времени
2
1t
t−
Uрэ2
Uрэ1
107
Установлено [35, 91-93], что отличительной особенностью функ-
ционирования системы "ТРН-АД" в режиме фазового управления ти-
ристорами является активная функция (воздействие на процессы) со
стороны обратной ЭДС АД, что иллюстрируется рис. 2.15.
Причиной искусственного отклонения углов α и β от заданных
значений является повышение величины ЭДС вращения АД при на-
личии повышенного тока АД при α >>0 и высокой, близкой к номи-
нальной, угловой скорости ротора. Именно в этом случае возникают
интервалы времени, когда мгновенные значения фазных ЭДС враще-
ния АД, действующих со стороны статора, превышают величины
мгновенных значений соответствующих выходных напряжений ТРН
(|
A
u,
|
B
u,
|
C
u рис.2 .16). Это является причиной: появления фактических
углов отпирания (αф) и проводимости (βф) тиристоров ТРН, значи-
тельно отличающихся от заданных (αз); создания условий для полно-
го отпирания тиристоров ТРН, дальнейшего уменьшения тока АД,
возвращения величин ЭДС вращения АД, углов α и β к исходным
значениям (α=αз) и восстановления условий для последующего цикла
автоколебаний.
Рисунок 2.15 – Диаграммы параметров системы «ТРН-АД»
при возникновении автоколебаний:
α и β – фактические углы, соответственно, отпирания и проводимости
тиристоров ТРН, Eвр m/Um ном - отношение амплитуд ЭДС вращения
и номинального напряжения соответствующей фазы; I1m/I1mi – отношение
амплитуд фактического и номинального тока статора АД
эл. град.
Е вр.m
Е вр.m
Период автоколебаний
108
Приведенные результаты
основываются на эксперимен-
тальных данных исследования
установившегося процесса ав-
токолебаний параметров сис-
темы "тиристорный регулятор
напряжения – асинхронный
двигатель" при неизменной
величине заданного угла α3
отпирания тиристоров и обу-
словливают актуальность оп-
ределения параметров систе-
мы "ТРН-АД" в динамике из-
менения заданного угла α от-
пирания тиристоров. Решение
этой задачи основывается на
исследовании расчётной схе-
мы системы "ТРН-АД", кото-
рая в упрощённом виде пред-
ставлена на рис. 2.17 и содер-
жит трёхфазный источ-ник
питания A
u;B
u;C
u,итири-
сторный регулятор напря-
жения VS1-VS6, подключен-
ный выходом к статору асин-
хронного двигателя М [94].
Поскольку из двух тири-
сторов, присоединённых в ка-
ждой фазе встречно-параллельно, в состоянии проводимости в каж-
дый момент времени может находиться только один, каждую из та-
ких пар тиристоров (VS1-VS2; VS3-VS4; VS5-VS6) можно в процессе
расчётов представить активными сопротивлениями A
R,
B
R,C
R,со-
ответственно. Величина каждого такого сопротивления изменяется
скачкообразно от max
Rдоmin
R при отпирании одного из тиристоров
пары (рис. 2.17, б), например:
ωt
ωt
ωt
ωt
u’C
u
u’A
u’B
uC
uB
uA
t7
t6
t5
t4
t3
αф
евр С
евр В
еврА
βФ
ψ
αз
t2
t1
0
0
0
0
Рисунок 2.16 – Диаграммы напряже-
ний системы «ТРН-АД» в процессе
автоколебаний при фазовом регули-
ровании напряжения
109
⎩
⎨
⎧
=
=
=
=
=
,
0
2
0
1
,
;1
2
1
1
,
max
min
VS
и
VS
если
R
VS
или
VS
если
R
RA
(2.62)
где VS1=1 обозначает проводящее состояние тиристора VS1, а VS1=0,
соответственно, - непроводящее.
Падение напряжения VSA
u;VSB
u
и VSC
u
на каждом таком сопро-
тивлении составляет:
A
A
VSA
R
i
u=
;
B
B
VSB
R
i
u
=
;
C
C
VSC
R
i
u
=
,
(2.63)
где A
i,B
i,C
i - токи в фазах "А", "В" и "С", соответственно.
С другой стороны:
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
−
−
=
−
−
=
−
−
=
.
;
;
SC
OO
C
VSC
SB
OO
B
VSB
SA
OO
A
VSA
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
u
I
I
I
(
2
.
6
4
)
где SA
u;VB
u;SC
u - падение напряжения на обмотках статора АД.;
u00’ – напряжение между нулевыми точками "0" источника питания и
"0’" обмотки статора АД [94]:
3
)
(
)
(
)
(
VSC
C
VSB
B
VSA
A
OO
u
u
u
u
u
u
uI
−
+
−
+
−
=
.
(2.65)
С учётом активных сопротивлений статора и ротора (Rs ,Rr), ин-
дуктивностей статора, ротора и главного магнитного поля, соответст-
венно, Ls; Lr; Lm, расчётная схема системы "ТРН-АД" может быть
представлена в соответствии с рис. 2 .18. В этой системе существен-
Рисунок 2.17 – Расчётная схема для исследования процессов в системе
«ТРН-АД» при фазовом управлении (а), схема замещения (б)
а
б
110
ным является воздействие на процессы со стороны фазных электро-
движущих сил (ЭДС вращения) ротора, индуктированных в обмотках
статора:
))
2(
)
2(
(
3
1
rA
rB
r
sB
sA
m
r
вр
i
i
L
i
i
L
p
e
+
+
+
=
−
ω
,
(2.66)
где р – число пар полюсов АД; si и ri - токи статора и ротора; ЭДС
евр r имеет знак "-" по отношению к ЭДС вращения, индуктированной
в обмотке статора.
Математическая модель асинхронного двигателя может быть
создана в соответствии с методом пространственного вектора в сис-
теме координат [16, 99]:
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
−
−
=
−
−
=
⋅
−
=
+
−
=
+
−
=
+
−
=
∫
∫
∫
).
(
1
);
(
1
];
ˆ
[
2
3
);
0(
)
(
1
);
0(
)
(
);
0(
)
(
2
2
S
m
r
S
m
r
S
r
r
m
S
r
m
r
S
S
r
M
C
r
r
r
r
r
S
S
S
S
S
L
L
L
L
L
i
L
L
L
L
L
i
i
I
M
dt
M
M
J
dt
R
i
j
dt
R
i
u
ψ
ψ
ψ
ψ
ψ
ω
ω
ψ
ψ
ω
ψ
ψ
ψ
(2.67)
Начальными являются величины:
0
)
0(
)
0(
)
0(
=
+
=
+
=
+
ω
ψ
ψ
r
S
, (что со-
ответствует процессу пуска АД), где r
ψ,
S
ψ,r
i , Si - пространственные
векторы,
r
ψˆ - сопряжённый вектор к r
ψ . Зависимость момента маши-
ны от угловой скорости определяется из соотношения:
k
H
H
C
M
M
M
M
)
)(
(
)
(
0
0
ω
ω
ω
−
+
=
,
(2.68)
где 0
M - момент сопротивления движению при нулевой скорости; H
M-
момент сопротивления движению при номинальной скорости; k - ко-
эффициент, характеризующий изменение момента при увеличении
скорости (
2
0≤
< k ) [95]. Пространственный вектор напряжения ста-
тора S
u формируется из фазных напряжений SA
u,VB
u,SC
u:
]
[
3
2
0
0
240
120
SC
j
SB
j
SA
S
u
e
u
e
u
u
⋅
+
⋅
+
=
,
(2.69)
111
а токи в фазах сети A
i,B
i,C
i вычисляются по пространственному
вектору тока статора Si [60]:
]
Re[ S
A
i
i=
;
]
Re[
0
120
S
j
B
i
e
i
⋅
=
;
]
Re[
0
240
S
j
C
i
e
i
⋅
=
.
(2.70)
а)
б)
Рисунок 2.19 – Диаграмма изменения частоты вращения ротора (ω) АД (типа
ЭДКОФВ315LB4) мощностью 250 кВт при пуске в процессе изменения угла
αз отпирания тиристоров ТРН при моментах инерции JΣ=1,1(а), и JΣ=1,6 JМ (б);
линейное напряжение сети 1140 В; Мн=1613 Нм; ωн=1485 об/мин.
α
эл. град.
Рисунок 2.18 – Схема замещения системы «ТРН-АД»
евр r
евр r
евр r
Рисунок 2.20 - Осциллограмма фазного напряжения на интервале периода
автоколебаний при заданном угле αз =60 эл. град./с. в системе «ТРН-АД»
Период автоколебаний
112
Моделирование независимой работы тиристоров разных фаз при
фазовом регулировании и трёхфазной коммутации вентилей основано
на использовании логической функции: Vi=Xi·Zi+Yi, где Vi – логиче-
ская переменная, равная "1" при проводящем состоянии і – го тири-
стора и "0" в случае его непроводящего состояния; Xi соответствует
напряжению на тиристоре, Yi – ток через тиристор, Zi – сигнал
управления.
Приведенные зависимости представляют собой математическую
модель системы "ТРН-АД" при фазовом регулировании напряжения
на выходе ТРН, исследование которой должно проводиться с учётом
параметров электродвигателя конкретного типа (номинальные угло-
вая скорость и электромагнитный момент; момент инерции); величин
момента сопротивления в электроприводе; номинальном линейном
напряжении сети, частоты тока в сети и количества фаз. В качестве
допущения задаются начальный и конечный заданные углы α отпира-
ния тиристоров (αн; αк), время изменения угла α (∆T) и временнáя
диаграмма изменения заданного угла α.
Рисунок 2.21 - Диаграмма изменения частоты вращения ротора (ω) АД
при двухэтапном законе задания интенсивности Q изменения угла αз
эл. град.
113
Исследованием модели подтверждается наличие автоколебатель-
ных процессов в системе "ТРН-АД" в случае динамического состоя-
ния заданного угла α отпирания тиристоров при достижении двигате-
лем угловой скорости, близкой к номинальной. Установлено, что
диапазон углов α, на который приходятся автоколебательные процес-
сы для электроприводов составляет 85 эл. град. <α<45 эл. град. При
этом существенным фактором воздействия на амплитуду параметров
автоколебательного процесса является момент инерции JΣ электро-
привода (рис. 2.19), что подтверждается экспериментом (рис. 2.20).
Таким образом, приемлемым способом, позволяющим избежать эти
автоколебания следует считать двухэтапный закон задания интенсив-
ности Q изменения угла αз. В частности, при условии
ном
ω
ω≈
;
90
≈
з
α
эл. град./с. целесообразно увеличение параметра Q как ми-
нимум, до 50 эл. град./с (рис. 2 .21) [96]. Выяснение степени влияния
указанного процесса управления тиристорами ТРН (во время выпол-
нения плавного пуска АД) на параметры устойчивости АЗ состоит в
Рисунок 2.22 – Осциллограмма управляемого пуска АД (в системе «ТРН-АД»
UА – напряжение фазы А; IА.
–
ток фазы А; Uр.э .
-
напряжение на реагирующем
элементе аппарата защиты от утечек тока на землю
Uр.э .
114
получении зависимости падения напряжения на реагирующем эле-
менте АЗ (R5) при двухэтапном законе (QI =28 эл. град./с, QII=150 эл.
град./с) изменения интенсивности уменьшения угла отпирания α ти-
ристоров. Полученные результаты согласуются с экспериментальны-
ми данными (рис. 2.22) и свидетельствуют о том, что применение ти-
ристорного регулятора напряжения для обеспечения плавности пуска
АД при условии двухэтапного закона изменения угла α отпирания
тиристоров ТРН не приведёт к недопустимому увеличению напряже-
ния (U<2,4 В) на реагирующем элементе аппарата защиты от утечек
тока на землю (серии АЗУР) и не повлияет на устойчивость парамет-
ров этой защиты.
2.4.3 Обоснование рационального способа технической реали-
зации принципа регулируемой коммутации силового присоеди-
нения электротехнического комплекса участка
Исходным положением при обосновании приемлемого способа
управления ТРН в системе "ТРН-АД" следует считать утверждение,
что эффективным средством предотвращения автоколебательных
процессов в системе "ТРН-АД" в случае их возникновения является
ускоренное уменьшение заданного угла αз отпирания тиристоров ТРН
со скоростью, превышающей 50 эл. град./с. [96, 97]. Учитывая, что
условием возникновения автоколебаний является существенное по-
вышение угловой скорости АД ( H
ω
ω≈
) в процессе разгона ротора
при αз>>0 эл. град./с., такое интенсивное уменьшение угла αз отпира-
ния тиристоров не приведёт к неконтролируемому отклонению элек-
тромеханических параметров соответствующего асинхронного элек-
тропривода и является вполне приемлемым.
Практический интерес представляет определение информацион-
ного сигнала, который может быть использован для формирования
команды на ускоренное уменьшение фазового угла αз. Из результатов
исследований [93-97] может бать установлено, что характерным при-
знаком наличия автоколебательного процесса является произвольное
полное отпирание тиристоров ТРН как результат искусственного уве-
личения фактического угла проводимости ( Ôβ ) тиристоров до 120 эл.
град. при заданном угле (αз) их отпирания, превышающем нулевое
значение (αз >>0 эл. град.) . Это следует из диаграмм результатов экс-
периментов (рис. 2.16). Таким образом, вышеуказанный информаци-
115
онный сигнал может быть сформирован в процессе определения и
последующего сравнения опорного и контрольного сигналов, в каче-
стве которых целесообразно принять параметры, пропорциональные
величинам напряжения участковой сети, соответственно, на входе и
выходе ТРН.
Так, самопроизвольное увеличение угла проводимости тиристо-
ровТРНдо Ô
β =120 эл. град. в начале автоколебаний параметров сис-
темы "ТРН-АД" обусловливает установление номинального дейст-
вующего напряжения на выходе ТРН и уменьшение до нуля разницы
между опорным и контрольным сигналами. Выявление этого состоя-
ния должно быть основой способа управления тиристорным регуля-
тором напряжения в устройстве плавного пуска асинхронного двига-
теля. Этот способ предусматривает повышение выходного напряже-
ния симметричного ТРН (с наперёд определённой интенсивностью)
от фиксированной пониженной величины до номинальной путём фа-
зового регулирования улов отпирания тиристоров; определение и
сравнение между собой опорного и контрольного сигналов, и в слу-
чае достижения контрольным сигналом величины опорного сигнала, -
Рисунок 2.23 – Структурная схема устройства управления тиристорным
регулятором напряжения в устройстве плавного асинхронного двигателя
СИФУ
БСС
116
осуществление уменьшения заданного угла αз отпирания тиристоров
ТРН по линейному закону со скоростью, превышающей 50 эл.
град./с. При этом, в качестве опорного и контрольного сигналов при-
няты параметры, пропорциональные величинам действующего на-
пряжения, соответственно, на входе и на выходе ТРН (рис. 2.23) [97].
Управление ТРН достигается уменьшением заданного угла αз
отпирания тиристоров от фиксированного значения (αз>>0) до нуля
средствами системы импульсно-фазового управления (СИФУ). Блоки
БВО и БВК выявляют, соответственно, опорный и контрольный сиг-
налы (параметры, пропорциональные величинам действующего на-
пряжения на входе и выходе ТРН). В случае, если процесс регулиро-
вания выходного напряжения ТРН не завершён, опорный сигнал бу-
дет превышать величину контрольного, и коррекция работы ТРН не
потребуется. Поэтому блок сравнения сигналов (БСС) будет форми-
ровать команду на увеличение интенсивности уменьшения заданного
угла α (блок БЗК) только в случае равенства выходных сигналов БВО
и БВК, что будет иметь место в начальный момент "страгивания"
системы "ТРН-АД" к автоколебательному процессу.
2.5 Определение параметров фильтра реагирующего органа
защитного устройства в условиях воздействия коммутаци-
онных процессов как пример применения усовершенствован-
ных методов моделирования
Примером применения обоснованных методов исследования
динамических состояний промышленных электротехнических ком-
плексов является определение характеристик измерительного органа
устройства защиты от утечек тока на землю (на примере перспектив-
ной разработки АЗУР-5 для участковой сети с номинальным напря-
жением 3,3 кВ) в условиях воздействия коммутационных переходных
процессов.
Устойчивость АЗ относительно ложных срабатываний от воз-
действия коммутационных переходных процессов может бать дос-
тигнута при условии поддержания коэффициента воздействия комму-
тационного процесса λком=(Аком max/Аcр) на уровне: λком<1 (где Аком max –
амплитуда параметра (тока или напряжения, в зависимости от типа
АЗ) на реагирующем органе АЗ, обусловленная коммутационным пе-
реходным процессом в ЭТК участка; Аср - минимальная амплитуда
параметра на реагирующем органе АЗ, при которой срабатывает за-
117
щита. При отсутствии возможности влиять на параметры коммутаци-
онного процесса поддержание λком<1 возможно исключительно путём
коррекции схемы реагирующего органа АЗ. Объектом исследования в
этом случае является фильтр присоединения – составная часть реаги-
рующего органа АЗ всех типов, позволяющий оказывать воздействие
на параметр А ком мах. (рис. 2.24) [74]. При расчёте параметров фильтра
учитывается техническое противоречие, поскольку увеличение ёмко-
сти RC – элементов ведёт не только к уменьшению амплитуды
Аком мах, но и к снижению быстродействия реагирования АЗ на факт
возникновения утечки тока на землю.
Математическая модель измерительной части и дросселя присое-
динения аппарата АЗУР-5 основана на допущении, что разность по-
тенциалов между узлами 1-3 определяется выражением [59]:
6
6
3
1
13
i
R
dt
di
L
u
K
K
−
−
=
−
=
φ
φ
,
(2.72)
Рисунок 2.24 - Схема смещения цепи оперативного тока аппарата АЗУР-5
-
сеть вторичной обмотки трансформатора
КТП участка
контур «земля»
118
Таким образом, мгновенные значения тока 6i могут быть выра-
жены через параметры дросселя присоединения АЗУР-5 к сети
(фрагмент А2):
K
K
L
i
R
u
dt
di
6
13
6
−
−
=
.
(2.73)
Математическое описание измерительной части аппарата
АЗУР-5 (фрагмент А3) определяется системой уравнений (2.74). С
целью оптимизации параметров фильтра присоединения его схема
представлена параллельным подключением отдельных "n" RC-
секций. В зависимости от распределённости кабельной сети участка,
длин и сечений применяемых кабелей число необходимых элемен-
тарных присоединений RC-секций может варьироваться в зависимо-
сти от результатов расчёта величины оперативного параметра на реа-
гирующем органе при воздействии коммутационного переходного
процесса с учётом параметров процесса возникновения цепи утечки
тока на землю в условиях эксплуатации реальной КТП.
Импульс воздействия на цепь реагирующего органа аппарата
АЗУР-5 может быть представлен совокупностью гармоник напряже-
ния, частоты которых превышают 100 Гц. Таким образом, ограниче-
ние амплитуды импульса напряжения на этом резисторе будет пред-
ставлять собой ограничение амплитуд соответствующих гармоник
параллельным подключением определённого количества RC-секций.
⎪⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
+
−
=
+
−
+
=
+
−
+
=
+
+
−
−
=
−
−
+
=
.
)
(
;
)
(
;
)
(
;
)
(
)
(
);
(1
4
3
4
4
3
67
4
57
67
3
2
3
3
2
57
2
67
3
47
57
2
1
2
2
1
47
1
57
2
37
47
1
1
47
1
37
23
1
37
37
23
6
23
R
R
C
R
R
u
R
u
dt
du
R
R
C
R
R
u
R
u
R
u
dt
du
R
R
C
R
R
u
R
u
R
u
dt
du
R
R
C
u
R
R
R
u
u
E
R
dt
du
R
u
u
E
i
C
dt
du
ОП
ОП
ОП
ОП
ОП
ОП
P
(2.74)
При рассмотрении ограничительных свойств фильтра следует
учитывать, что каждая из его RC-секций с постоянной времени Т=RC
119
представляет собой апериодическое звено первого порядка, описыва-
ется передаточной функцией:
1
1
)(
+
=
Tp
p
W
,
(2.75)
Общая передаточная функция фильтра низкой частоты - произ-
ведение передаточных функций RC-секций:
∏=
+
+
+
=
=
n
i
n
i
об
p
T
p
T
p
T
p
W
p
W
1
2
1
)1
)...(
1
)(1
(
1
)(
)(
.
(2.76)
Постоянные времени Т1=Т2=...= Тn=Т, поэтому (3.8) приобретает вид:
n
об
Tp
p
W
)1
(
1
)(
+
=
.
(2.77)
Приняв в качестве исходных допущений параметры отдельных
RC-секций, можно рассчитать соответствующие постоянные времени
и его ЛАЧХ. В частности, ЛАЧХ фильтра при R=10 кОм; C=1 мкФ;
T=RC=10410-6
=0,01с (рис. 2 .25) даёт обобщённое представление о его
способности снижения амплитуды выходного сигнала и позволяет
сделать предварительный вывод о достаточности применения RC-
секций в определённом количестве (
6
2≤
≤ n ). Окончательный резуль-
тат (рис. 2 .26) даёт представление о способности входного фильтра
АЗ противодействовать влиянию коммутационного процесса на па-
раметры устойчивости АЗ против ложных срабатываний при сохра-
нении параметров чувствительности и быстродействия реакции на
появление цепи утечки тока на землю [74].
Рисунок 2.25 - ЛАЧХ RC-фильтра, при использовании n RC-секций
(n = 2...6)
120
Рисунок 2.26 – Обобщённый вид диаграммы мгновенных значений напряжения
на измерительном элементе аппарата АЗУР-5 при включении присоединения
сети с ёмкостью изоляции 0,5 мкФ/фазу (t1=3,01 с) и возникновении тока утеч-
ки на землю (t2=4,5 с) при разном количестве RC - секций (n=2...6)
121
РАЗДЕЛ 3
ОБРАТНЫЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОТОКИ АСИНХРОННЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ КАК ФАКТОР ПОВЫШЕНИЯ ОПАСНОСТИ
ЭЛЕКТРОПОРАЖЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ШАХТНЫХ УЧАСТКОВЫХ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ
КОМПЛЕКСОВ
3.1 Общая характеристика опасности электропоражения
от обратной ЭДС асинхронного двигателя
Показателем опасности электропоражения человека в условиях
эксплуатации рудничного электротехнического комплекса является
количество электричества в цепи, созданной утечкой тока на землю.
Этот показатель формируется током данной цепи. Поэтому при опре-
делении количества электричества должны учитываться мгновенные
значения тока утечки на всём интервале его существования, включая
переходный процесс (начиная с момента касания человеком фазного
проводника) и интервал токовой проводимости после защитного от-
ключения сети. Следует иметь в виду, что на интервале переходного
процесса ток цепи утечки на землю (iут) определяется суммой перио-
дической (iпр) и свободной (iсв) составляющих [98]:
t
P
ут
m
св
пр
ут
e
R
Z
Z
U
t
Z
U
t
i
m
i
i
2
,
)
sin(
*
*
)
sin(
*
)(
1
ν
ψ
φ
ψ
ω
+
+
−
+
=
+
=
(3.1)
где Um – амплитуда фазного напряжения; ω - угловая частота; ψ - на-
чальная фаза напряжения сети; р2 – коэффициент затухания парамет-
ра iсв; Z и Z1 – модули полных сопротивлений, соответственно, всей
цепи с учётом сопротивления тела человека и распределённой части
сети; φ=arctgRизω/(Rутp2-ω
2
CизRутRиз) - фазовая характеристика обще-
го сопротивления цепи; p2 =-(Rут+Rиз)/( CизRутRиз); ν=arctg (ω/р2);
1
)
(
)
(
)
(
2
2
2
+
+
+
=
из
из
из
ут
ут
из
из
R
C
R
R
R
R
C
Z
ω
ω
;
1
)
(
2
2
1
+
=
из
из
из
R
C
R
Z
ω
При этом, максимум свободная составляющая тока в цепи утеч-
ки на землю будет иметь при условии, что ψ+ν=±π/2 [98]. В совокуп-
ности составляющие тока, описываемые уравнением (3.1) создают
составляющую количества электричества в цепи утечки на землю
122
Q1=UфΔt1/Z, обусловленную воздействием энергетического потока
(фазного напряжения Uф) от участковой КТП на интервале времени
Δt1 от момента возникновения утечки тока на землю до момента от-
ключения коммутационного аппарата силового присоединения с це-
пью утечки. Однако, в составе общего показателя количества элек-
тричества в цепи утечки тока на землю должна быть учтена состав-
ляющая количества электричества, созданная обратным энергетиче-
ским потоком асинхронного двигателя (совокупности двигателей),
находящихся в состоянии свободного выбега после отключения сило-
вого присоединения. В общем случае это поясняется выражением:
dt
e
I
dt
I
Q
Tе
t
tк
tк
t
ут
ут
⋅
⋅
=
⋅
=
−
=
∫∫
00
)0
(
'
2
,
(3.2)
где
)0
(
'
=
=
t
ут
ут
I
I
-
действующее значение тока через тело человека в
момент отключения контактов коммутационного аппарата, tк – мо-
мент времени окончания воздействия обратной ЭДС АД. Учитывая,
что после отключения напряжения питания на статоре каждого дви-
гателя остаётся обратная ЭДС, защитное отключение сети в случае
появления цепи утечки тока на землю нельзя считать достаточным в
контексте обеспечения электробезопасности.
С учётом сложности процессов, влияние обратных энергетиче-
ских потоков асинхронных двигателей на цепь утечки тока на землю
требует дополнительных исследований и уточнений. При этом, сле-
дует иметь в виду, что асинхронные двигатели электропотребителей
участка в своей совокупности создают мощность, соразмерную с
мощностью трансформатора участковой КТП.
В случае возникновения цепи утечки тока на землю в присоеди-
нении между пускателем и статором АД общая продолжительность
существования электропоражающего фактора будет состоять из:
- продолжительности выявления утечки тока на землю (Δt1);
-
продолжительности срабатывания реагирующего органа АВ
(Δt2);
-
продолжительности отделения от сети энергетического потока
со стороны участковой КТП (Δt3);
-
продолжительности существования опасного уровня обратной
ЭДС АД (Δt4) после защитного отключения участковой сети.
В простейшем случае: составляющая электротехнического ком-
плекса после отключения напряжения питания представляется актив-
123
но-индуктивными сопротивлениями статора (Rs; Xs) и (приведенны-
ми) ротора (Rr’; Xr’) АД; жил кабеля (Rк; Xк) от АД до места утечки
тока на землю R индуктивными сопротивлениями (X0) намагничива-
ния АД, а также активно-ёмкостными сопротивлениями изоляции фаз
(Rиз; Xиз) указанного кабеля (рис. 3.1). Обобщённый результат относи-
тельно воздействия обратной ЭДС АД (евр) может бать получен в хо-
де исследования структуры компьютерной модели (рис. 3 .2) с учётом
положений классической теории электротехники.
В частности, токи фазы "А" определяются соотношением [25]:
;
/
'
..
Z
U
I
A
AO
A=
&
(3.3)
где–
напряжение на нагрузке фазы "А":
));
2
/(
(
.
.
)
(
)
(
0
Z
Z
Z
Z
E
U
A
C
B
A
C
B
вр
A
−
−
=
(3.4)
));
/
/(
)
/
(
(
1
1
)
(
изф
із
изф
из
С
В
C
j
R
C
j
R
L
j
R
Z
ω
ω
ω
−
−
+
+
=
(3.5)
AO
U
'
~
~
~
Rиз
Rиз
Rиз
Rут
Хиз
Хиз
Хиз
RкА
XkА
RsА
XsА
XrА eврА
RrА
RкС
XkС
RsС
XsС
RкВ
XkВ
RsВ
XsВ
X0
Фаза «А»
Фаза «В»
Фаза «С»
Рисунок 3.1 – Расчётная
схема участка электросети
для исследования поражаю-
щего действия ЭДС враще-
ния асинхронного двигателя
еврС
RrС
124
));
/
/(
)
/
(
(1
1
изф
A
изф
А
A
C
j
R
C
j
R
L
j
R
Z
ω
ω
ω
−
−
+
+
=
(3.6)
);
/(
R
R
R
R
R
из
ут
из
ут
A
+
=
(3.7)
В формуле (3.4) Евр – вектор обратной ЭДС АД; в формуле (3.6)
R1; L1 – общие активное сопротивление и индуктивность фазы систе-
мы "кабель-двигатель", созданные последовательно включенными
активными сопротивлениями и индуктивностями АД и кабеля до
места утечки тока на землю, Сизф - ёмкость изоляции фазы. Вектор
тока в фазе "А" определяется выражением:
1
);
/
/(
)
/
(
..
..
изф
A
изф
A
A
C
j
R
C
j
I
I
ω
ω
−
−
=
&
&
(3.8)
где RA – активное сопротивление, созданное параллельно соединен-
ными сопротивлениями изоляции кабеля Rиз и сопротивлением утеч-
ки Rут. Вектор тока в цепи сопротивления утечки на землю:
1
);
/(
(
..
..
из
ут
из
A
ут
R
R
R
I
I
+
=
&
&
(3.9)
В процессе исследования схемы (рис. 3 .1) должны бать учтены
следующие допущения:
-
отключенное силовое присоединение, в котором возникла цепь
утечки землю (Rут=1 кОм) представляет собой гибкий шахтный экра-
нированный кабель марки КГЭШ, подключенный к статору одного
АД;
-
удельные активные и индуктивные сопротивления силовых жил
кабеля соответствуют принятому его сечению типажного ряда: 4; 6;
10; 16; 25; 35; 50; 70; 95; 120 (мм
2
);
-
ёмкостное сопротивление изоляции кабеля (ХС) соответствует
его сечению и длине;
-
вероятные уровни активного сопротивления изоляции кабеля
при его эксплуатации в сети линейного напряжения 660 В составляют
100 кОм/фазу и 31 кОм/фазу;
-
цепь повышенной проводимости между фазой и землёй возни-
кает до отключения пускателя силового присоединения и существует
после такого отключения.
С учётом этих допущений полученные результаты относительно
зависимости действующих значений параметра іут от длин и сечений
кабеля, обусловленных воздействием обратной ЭДС АД (в диапазоне
0,85÷0,95 от номинального напряжения) без учёта экспоненты её
уменьшения приведены на рис. 3.3 и обобщены в табл. 3.1; табл. 3 .2
125
[25]. Они свидетельствуют, что в первый момент после отключения
напряжения питания (со стороны КТП) обратная ЭДС АД способна
создать в цепи утечки на землю ток, значительно превышающий нор-
мируемую длительно безопасную величину (25 mА) [55].
Эти результаты подтверждают актуальность комплексного иссле-
дования воздействия обратных ЭДС АД в системах сложных конфи-
гураций с учётом влияния параметров АД на величины Евр в процессе
выбега АД, параметров средств коммутации силовых присоединений,
особенностей функционирования защит от утечек тока на землю кон-
кретных типов, других влияющих факторов.
Рисунок 3.2 – Расчётные значения тока утечки, обусловленного действием
обратной ЭДС АД. Кабели КГЭШ с рабочими жилами сечений:
а-4мм
2
;б-16мм
2
;в-50мм
2
;г-120мм
2
; l (м) - длина участка кабеля;
1–Евр=323В;Rиз=31кОм/фазу; 2–Евр=323В;Rиз=100кОм/фазу;
3–Евр=361В;Rиз=31кОм/фазу; 4–Евр=361В;Rиз=100кОм/фазу
126
Таблица 3.1 - Результаты расчёта начального тока в системе
"кабель-двигатель" (фазная ЭДС АД - 323 В)
Rиз,
кОм
Длина
кабеля
l,м
Сечение рабочей жилы кабеля, кв. мм
6
10
25
35
70
95
Ток утечки (Rут=1 кОм), mA
100
50
10,2 10,7
11,6
12,2
16,1
19,6
100
12,4 14,0
15,9
18,2
27,6
35,5
150
15,3 18,1
21,2
25,1
39,9
51,8
200
18,7 22,6
27,0
32,4
52,3
68,0
31
50
28,7 28,9
29,3
29,5
31,0
32,7
100
29,5 30,1
31,2
32,0
37,5
42,9
150
30,7 31,9
33,6
35,9
46,2
55,6
200
32,2 34,4
37,1
40,7
56,0
69,3
Таблица 3.2 - Результаты расчёта начального тока в системе
"кабель-двигатель" (фазная ЭДС АД - 361 В)
Rиз,
кОм
Длина
кабеля
l,м
Сечение рабочей жилы кабеля, кв. мм
6
10
25
35
70
95
Ток утечки (Rут=1 кОм), mA
100
50
11,4 12,0
12,9
13,6
18,0
21,9
100
13,9 15,6
17,7
20,3
30,8
39,7
150
17,1 20,2
23,7
28,1
44,6
57,9
200
20,9 25,3
30,2
36,2
58,4
76,0
31
50
32,1 32,3
32,8
32,9
34,6
36,6
100
32,9 33,6
34,8
35,7
41,9
47,9
150
34,3 35,1
37,5
40,1
51,6
62,2
200
36,6 38,4
41,4
45,5
62,6
77,4
3.2 Принципы моделирования электротехнического комплек-
са в контексте определения воздействия обратного энергетиче-
ского потока асинхронных двигателей на цепь утечки тока на
землю
Оценка электропоражающего фактора обратных ЭДС асинхрон-
ных двигателей при касании человеком фазного проводника в усло-
127
виях эксплуатации оборудования шахтного участкового электротех-
нического комплекса может бать выполнена с учётом допущений:
-
электропотребители участка оснащены асинхронными двигате-
лями с короткозамкнутым ротором малой, средней и большой мощ-
ности, которые подключены к контакторам силовых коммутацион-
ных аппаратов (пускателей) гибкими экранированными шахтными
кабелями по радиальной схеме;
-
реакцией системы электроснабжения на возникновение цепи
утечки тока на землю является поэтапное появление переходных
процессов в порядке существования: непосредственно, возникнове-
ние цепи утечки на землю; отключение напряжения питания со сто-
роны КТП; появление и дальнейшее существование обратных энерге-
тических потоков от АД потребителей при наличии их воздействия на
точку возникновения цепи утечки тока на землю в связи с включен-
ным состоянием контакторов; стохастический процесс самопроиз-
вольного отключения контакторов по мере уменьшения величин об-
ратных ЭДС. Это предполагает применение математической модели
силовых элементов сети (что позволяет определить напряжение на
аварийном участке сети) с последующим моделированием парамет-
ров изоляции кабеля совместно с сопротивлением цепи утечки на
землю (что создаст возможность определения величины тока и коли-
чества электричества в цепи утечки). Достаточным по возможностям
является принцип обоснования математической модели ЭТК участка
шахты (УШ), предусматривающий использование метода простран-
ственного вектора, когда общее действие всех трёх фаз выражается
единой комплексной величиной [17]:
)
(
3
2
2
c
b
a
х
a
х
a
х
х
+
⋅
+
=
,
(3.10)
где а
х,b
х,c
x − мгновенные значения физической величины х трёх-
фазной системы;
o
120
je
a=
- фазовый множитель.
Структурно силовая схема участкового ЭТК (рис. 3 .3) включает
общую часть сети, однодвигательные (в количестве b−1) и многодви-
гательные присоединения (в количестве n−b+1, где n − общее коли-
чество присоединений) [30]. К общей части сети относится вторичная
обмотка трансформатора участковой КТП (представлена источником
напряжения и и сопротивлением тр
Z ), автоматический выключатель
АВ распредустройства низкого напряжения КТП, аппарат защитного
отключения цепи утечки тока на землю АЗ и магистральный кабель
128
МК. В состав присоединений входят коммутационные аппараты КА,
гибкие кабели ГК и один или несколько асинхронных двигателей М
потребителей (Мехj). Пространственный вектор тока в общей части
сети обозначен Σi , а в присоединениях − ji , где
n
j,1
=
−
номер при-
соединения. 1
uиsj
u обозначают пространственные векторы напряже-
ния в общей части сети и на зажимах статоров двигателей,
соответственно.
На схеме замещения однодвигательного присоединения ("КА-
ГК-АД") ЭТК участка шахты (рис. 3.4, а) приняты обозначения [98]:
КА
R − активное сопротивление фазы коммутационного аппарата; кR ,
к
L − активное сопротивление и индуктивность гибкого кабеля; sR , r
R
-
активное сопротивление фазы статора и приведенное активное со-
противление фазы ротора, соответственно; sl
L,
rl
L - индуктивность
рассеивания статора и ротора (приведенная к статору), соответствен-
но; m
L - индуктивность намагничивания двигателя; r
ψ - пространст-
венный вектор потокосцепления ротора; ω - скорость вращения рото-
ра двигателя; i , ri − пространственные векторы тока в статорной це-
пи и тока ротора двигателя, соответственно.
Рисунок 3.3 - Структурная схема ЭТК УШ, принятая для моделирования
Общая часть сети
Однодвигательные
присоединения
Многодвигательные
присоединения
129
Приведенная схема замещения является корректной при соеди-
нении обмоток статора двигателя по схеме "звезда" (Y). Соединение
этих обмоток по схеме "треугольник" (Δ) требует пересчёта парамет-
ров "треугольника" к эквивалентной "звезде". Для учёта схемы со-
единения статорных обмоток двигателя (в силовом присоединении) в
аналитические выражения необходимо ввести схемный коэффициент:
⎩
⎨
⎧
Δ
=
.
,
3
;
,
1
схема
Y
схема
kсх
(3.11)
На расчётной схеме замещения присоединения (рис. 3 .3) обо-
значено:
s
к
КА
cх
R
R
R
k
R
+
+
=
)
(2
1
.
(3.12)
Описанием процессов в присоединении "КА-ГК-АД" является
система уравнений, учитывающая состояние электрического равнове-
сия в неподвижной системе координат с заданием основного уравне-
ния динамики электродвигателя [100]:
()()
()
()
()(
)
⎪⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎨
⎧
+
−
=
+
−
=
+
−
=
∫
∫
∫
,
0
1
;
0
;
0
1
1
1
1
ω
ω
ψ
ψ
ω
ψ
ψ
ψ
dt
M
M
J
dt
R
i
j
dt
Ri
u
c
r
r
r
r
r
(3.13)
а)
б)
Рисунок 3.4 - Схема замещения однодвигательного присоединения
«КА-ГК-АД») ЭТК УШ: а - исходная; б - расчётная
130
где 1
ψ − пространственный вектор потокосцепления статора АД и ГК;
M − электромагнитный момент двигателя, рассчитываемый в соот-
ветствии с зависимостью [17]:
]
ˆ
Im[
5,1
5,1
r
r
r
r
i
i
M
ψ
ψ
−
=
×
−
=
.
(3.14)
Все расчёты, касающиеся АД, выполняются применительно к
двухполюсным асинхронным машинам [101-102]. Если асинхронная
машина многополюсная, механические параметры должны быть пе-
ресчитаны к эквивалентной двухполюсной машине относительно ве-
личин угловой скорости
ω
ω
′
= р ; вращающего момента
p
M
M
′
=
;
момента инерции
2
p
J
J′
=
.
Пространственные векторы тока в цепи
статора АД, соответственно, вычисляются по зависимостям [17]:
)
()
(
2
1
1
m
r
r
m
r
L
L
L
L
L
i
−
−
=
ψ
ψ
;
(3.15)
)
()
(
2
1
1
1
m
r
m
r
r
L
L
L
L
L
i
−
−
=
ψ
ψ
,
(3.16)
при этом
m
sl
к
сх
L
L
L
k
L
+
+
=
2
1
;
(3.17)
m
rl
r
L
L
L
+
=
.
(3.18)
Связь пространственного вектора 1u , созданного из фазных на-
пряжений эквивалентного "треугольника" присоединения с аналогич-
ным вектором e
u1 , созданным из фазных напряжений эквивалентной
"звезды", устанавливает зависимость:
e
схu
k
u
1
1=
.
(3.19)
Ток присоединения i , рассчитанного для эквивалентного "тре-
угольника", может быть пересчитан в ток эквивалентной "звезды" e
i
по формуле:
і
k
iсх
e=
.
(3.20)
Считая коммутации КА идеальными, целесообразно допущение,
что при замкнутых контактах
min
КА
КАR
R=
, а при разомкнутых -
max
КА
КАR
R=
, тогда:
⎩
⎨
⎧
=
=
=
,
0
,
;1
,
min
max
β
β
если
R
если
R
R
КА
КА
КА
(3.21)
где
β
β
β
β
′′′
∨
′′
∨
′
=
−
переменная, определяющая состояние контактов
КА: β ′ − переменная, определяющая наличие команды обслуживаю-
щего персонала на отключение контактора ( 1
=
′
β − разомкнутые кон-
такты КА); β ′′ − переменная, принимающая значения
1
=
′′
β при про-
извольном отключении КА из-за снижения напряжения на катушке
131
электромагнита управления КА; β ′′′ − переменная, равная логической
единице при наличии других команд на отключение КА (например,
от максимальной токовой защиты).
Представление переменной β в качестве совокупности логиче-
ских составляющих β’÷β’’’, объединённых функцией "ИЛИ" позволя-
ет конкретизировать эту переменную в соответствии с конкретной
функцией защиты. Так, переменная относительно защиты минималь-
ного напряжения контактора определяется как [35]:
()
⎩
⎨
⎧
≤
>
=
−
=
′′
,
0
,
1
;0
,
0
1
ξ
ξ
ξ
β
если
если
sign
sign
(3.22)
где
фн
zU
k
U−
=
1
ξ
;1
U − эффективное значение фазного напряжения на
входе контактора; фн
U − номинальное значение фазного напряжения;
z
k − относительное значение напряжения, при котором коммутаци-
онный аппарат отключается защитой минимального напряжения.
Функция sign произвольного аргумента δ определяется, как:
⎪⎩
⎪⎨
⎧
<
−
=
>
=
0
,
1
0
,
0
0
,
1
δ
δ
δ
δ
если
если
если
sign
.
(3.23)
Для учёта случайного характера самопроизвольного отключения
КА во время выбега двигателей вводится непрерывная случайная ве-
личина z
K , реализации которой zk определяют относительные значе-
ния напряжения отключения коммутационного аппарата. При моде-
лировании работы нескольких присоединений в составе ЭТК УШ,
следует допустить, что і-й коммутационный аппарат характеризуется
своей случайной величиной
iz
K . При этом величины
iz
K являются
одинаково распределёнными (характеризуются одинаковыми пара-
метрами математического ожидания a и среднего квадратичного от-
клонения σ ) и взаимно независимыми случайными величинами.
Значения пространственного вектора напряжения на зажимах статора
АД определяются в соответствии с зависимостью:
dt
id
L
dt
id
L
Ri
u
r
m
s
s
s
/
/
⋅
+
⋅
+
=
.
(3.24)
132
В случае соединения фаз статора АД в "треугольник" простран-
ственный вектор, созданный из напряжений эквивалентной "звезды",
вычисляется, как:
сх
s
se
k
u
u
/
=
.
Таким образом, представленная математическая модель присое-
динения "КА-ГК-АД" (рис. 3 .4) учитывает стохастическое самопро-
извольное отключение КА при снижении напряжения, поступающего
на схему управления катушкой контактора. Обобщённая структура
этой модели иллюстрируется рис. 3.5,а [35].
В случае применения нескольких асинхронных двигателей в ка-
честве нагрузки силового присоединения процессы в гибком кабеле
питания и коммутационном аппарате описываются уравнением:
dt
id
L
i
R
R
u
u
e
к
e
к
КА
e
se
/
)
(
1
⋅
−
+
−
=
,
(3.25)
что иллюстрируется структурами (рис. 3 .5, б; в)
б)
а)
Рисунок 3.5 - Структурные схемы:
а – математической модели присоединения «КА-ГК-АД» (единым блоком);
б – присоединения при питании совокупности АД через один кабель;
в – математической модели «КА-ГК» при питании совокупности АД
через один кабель (единым блоком); г – математической модели АД
при его функционировании в составе многодвигательного присоединения
(единым блоком)
в)
г)
133
Формализованное описание процессов в АД многодвигательного
присоединения по структуре представлено выражением [17]:
()()
()
()
()(
)
⎪⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎨
⎧
+
−
=
+
−
=
+
−
=
∫
∫
∫
,
0
1
;
0
;
0
ω
ω
ψ
ψ
ω
ψ
ψ
ψ
dt
M
M
J
dt
R
i
j
dt
R
i
u
c
r
r
r
r
r
s
s
M
s
s
(3.26)
)
()
(
2
m
r
s
r
m
s
r
M
L
L
L
L
L
i
−
−
=
ψ
ψ
;
(3.27)
)
()
(
2
1
m
r
s
m
r
s
r
L
L
L
L
L
i
−
−
=
ψ
ψ
,
(3.28)
где s
ψ − пространственный вектор потокосцепления статора двигате-
ля;
m
sl
s
L
L
L
+
=
.
Процессы в общей части сети "ТР-АВ-МК" (рис. 3 .7) описывают-
ся уравнением:
()
(
)dt
id
L
L
i
R
R
R
u
u
МК
тр
МК
АВ
тр
Σ
Σ
+
−
+
+
−
=
1
.
(3.29)
Считая, что на выходе участкового трансформатора симметрич-
ное трёхфазное напряжение прямой последовательности и неизмен-
ной частоты f , пространственный вектор u определяется, как:
tf
j
фe
U
u
π
2
2
=
,
(3.30)
где ф
U − эффективное значение фазной ЭДС, индуктируемой во вто-
ричной обмотке трансформатора (оно не зависит от схемы соедине-
ния вторичных обмоток трансформатора). В случае соединения вто-
ричных обмоток участкового трансформатора по схеме "звезда", ней-
тральная точка является изолированной.
Коммутации АВ принимаются идеальными, т.е. такими, которые
осуществляются за бесконечно малый отрезок времени при отсутст-
вии электрической дуги. Параметр АВ
R в функции состояния автома-
тического выключателя принимается с допущением, что при замкну-
тых его контактах
min
AB
АВR
R=
, а при разомкнутых -
max
AB
АВR
R=
.
В этом случае:
⎩
⎨
⎧
=
=
=
,
0
,
;1
,
min
max
α
α
если
R
если
R
R
AB
AB
АВ
(3.31)
134
где
α
α
α
α
′′′
∨
′′
∨
′
=
−
переменная, определяющая состояние контактов
автоматического выключателя: при
1
=
α
контакты АВ разомкнуты,
при
0
=
α
−
замкнуты; " ∨ " – оператор логической функции "ИЛИ"; α ′
−
переменная, определяющая наличие команды обслуживающего
персонала на отключение автоматичного выключателя ( 1
=
′
α
−
ра-
зомкнутые контакты АВ); α ′′ принимает значение
1
=
′′
α
при наличии
команды от независимого расцепителя на отключение АВ; α ′′′ равно
логической единице при наличии других команд на отключение ав-
томатического выключателя (от максимального токового расцепите-
ля, нулевого расцепителя напряжения и т.п .).
Допущение об идеальном характере отключения АВ (т.е., о
скачкообразном изменении сопротивления АВ
Rот
min
AB
R
до
max
AB
R
)
предполагает скачкообразное снижение тока в общей части сети. Од-
нако, последнее противоречит первому закону коммутации (относи-
тельно изменения тока через индуктивность тр
LиМК
L ). Учитывая
это, следует ввести допущение, что от момента отключения автома-
тического выключателя индуктивности тр
LиМК
L не принимаются
во внимание при анализе процессов в системе. Такое допущение не
снизит точность параметров модели, т.к . после отключения АВ толь-
ко активно-ёмкостные параметры изоляции магистрального кабеля
(участок "ТР-АВ-МК") воздействуют на состояние цепи утечки тока
на землю. Пренебрежение индуктивностями тр
LиМК
L после защит-
ного отключения АВ должно учитываться введением в уравнение
Рисунок 3.6 – Схемная интерпретация объекта моделирования «ТР-АВ-МК»
а – схема замещения; б – структурная схема модели (единым блоком)
б)
а)
135
(2.29) инверсной к α величины α . В этом случае выражение (3.29)
примет вид при условии соединения вторичной обмотки "ТР" по схе-
ме "звезда":
()
( )dt
id
L
L
i
R
R
R
e
U
u
МК
тр
МК
АВ
тр
tf
j
ф
Σ
Σ
+
−
+
+
−
=
α
π
2
1
2
.
(3.32)
В случае соединения вторичной обмотки трансформатора в
"треугольник" его параметры пересчитываются с учётом коэффици-
ента схемы сх
k:
dt
id
L
k
L
i
R
R
k
R
k
e
U
u
е
МК
сх
тр
е
МК
АВ
сх
тр
сх
tf
j
ф
е
Σ
Σ
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+
−
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
+
+
−
=
α
π
2
2
2
1
2
(3.33)
Функция АЗ по формированию команды α ′′ (в данном случае,
.
.с
ав
α ′′ ) определяется как:
⎪⎩
⎪⎨
⎧
>
≤
=
′′
,
,
0
;
,
1
*
*
.
.
в
в
в
в
с
ав
R
R
R
R
α
(3.34)
где
.
.с
ав
α′′
−
переменная, определяющая наличие аварийного состоя-
ния в системе (
.
.с
ав
α′′
= 0 − аварийное состояние отсутствует;
.
.с
ав
α′′
=1−
в системе есть утечка тока на землю); ут
R − сопротивление цепи
утечки (в случае отсутствия утечки тока
∞
→
ут
R
);
*
ут
R − предельно
допустимое сопротивление цепи утечки тока на землю.
Время τ , затрачиваемое аппаратом защиты на идентификацию
наличия опасного состояния и формирование команды на отключение
силового коммутационного аппарата может бать учтено путём ввода
в модель АЗ участка запаздывания с передаточной функцией:
τ
p
e
p
W
−
=
)(
.
(3.35)
Параметр запаздывания τ в соответствии с [56] составляет: для
сетей напряжением 660 В − не более 0,1 с; для сетей 1140 В − не бо-
лее 0,07 с. Сигнал на отключение АВ α ′′ рассчитывается по формуле:
.
.с
ав
p
e
α
α
τ
′′
⋅
=
′′
−
.
(3.36)
Зависимости (2.37) − (2.40) представляют собой математическую
модель общей части сети "ТР-АВ-МК" (рис. 3.7, б), которая учитыва-
ет отключение системы автоматическим выключателем в случае по-
явления утечки тока на землю.
136
Обоснованные математические модели присоединений и общей
части сети позволяют представить обобщённую структурную схему
модели ЭТК (рис. 3.3) структурами её отдельных элементов (рис. 3.5
и 3.6) с учётом параметров и функциональных связей. С целью опре-
деления функции воздействия обратного энергетического потока
асинхронных двигателей потребителей на цепь утечки тока на землю
в процессе и после защитного отключения сети математическая мо-
дель объекта должна включать структурную составляющую, описы-
вающую непосредственно процессы в звене, созданном цепью утечки
тока на землю. На схеме (рис. 3.7) источником напряжения uф до мо-
мента защитного отключения сети является участковая КТП, а после
–
уменьшающаяся ЭДС вращения двигателей потребителей электро-
технического комплекса; Cиз=3 Сизф; Rиз=Rизф/3, где Сизф; Rизф – соот-
ветственно, совокупная ёмкость и активное сопротивление одной фа-
зы кабельной сети, имеющей электрическую связь с цепью утечки то-
ка на землю [35]. Учитывая изменение конфигурации рассматривае-
мой системы во время выбега электродвигателей при стохастическом
самопроизвольном отключении контакторов, следует иметь в виду,
что величины Сизф и Rизф не будут оставаться неизменными. Их вы-
числение в произвольно выбранный момент процесса защитного
обесточивания цепи утечки тока на землю должно выполняться по
формулам [99]:
()
k
C
C
f
C
C
C
С
i
i
ф
из
ф
из
k
ф
из
k
n
i
i
ф
из
i
ф
из
k
ф
из
},
{,}
{,
1
β
β
β
β
′′
′
=
′′
+
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
′′
+
′
=
∑=
; (3.37)
()
k
R
R
f
R
R
R
R
i
i
ф
из
ф
из
k
ф
из
k
n
i
i
ф
из
i
ф
из
k
ф
из
},
{,}
{,
1
1
1
β
β
β
β
′′
′
=
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎣
⎡
′′
+
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
′′
+
′
=
−
=
∑
,
(3.38)
где символ β обозначает инверсное значение переменной состояния
КА β (3.31); k − номер присоединения, в котором произошла утечка
Рисунок 3.7 - Схема замещения цепи однофазной утечки на землю
Rут - сопротивление цепи утечки на
землю; Cиз; Rиз - совокупная ёмкость
и активное сопротивление изоляции
3-х фаз сети; Lдр - индуктивность
компенсирующего дросселя; іут – ток
утечки на землю
Rиз
Сиз
Rут
137
тока на землю;
ф
из
C′
,
ф
из
R′
−
ёмкость и активное сопротивление изоля-
ции фазы магистрального кабеля, соответственно;
i
ф
из
C′′
,
i
ф
из
R′′
−
то
же − гибкого кабеля і−го присоединения (
n
i÷
=1 );
}
{iф
из
C′′ ,
}
{iф
из
R′′
−
векторы параметров изоляции гибких кабелей; }
{ iβ − вектор пере-
менных состояния коммутационных аппаратов присоединений.
Учёт функции компенсирующего дросселя состоит в следующем:
- и ндуктивное сопротивление дросселя автокомпенсатора
2πfL=1/2πf Cиз (1-ν) должно учитывать величину коэффициента ν рас-
согласования при настройке (рекомендовано ν=±0,1) [35];
-
при изменении ёмкости изоляции сети перенастройка дросселя
носит апериодический характер, что учитывается апериодическим
звеном первого порядка, на вход которого подаются мгновенные зна-
чения индуктивности (дросселя);
-
после отключения коммутационного аппарата (КА) аварийного
присоединения компенсирующий дроссель не влияет на состояние
цепи утечки тока на землю, что может быть учтено введением в ма-
тематическую модель цепи утечки переменной состояния КА kβ (при
включенном КА kβ =1, при отключенном k
β =0). Для исследования
состояния системы без учёта устройства компенсации вводится логи-
ческая переменная ак
α:
⎩
⎨
⎧=
ан
задействов
сатор
автокомпен
т
отсутствуе
р
компенсато
ак
,
1
;
,
0
α
(3.39)
При нулевых начальных условиях и с учётом переменных ак
αи
k
β процессы в схеме (рис. 3.7) будут описываться системой уравне-
ний (3.40), куда введена дополнительная переменная 4i . Количество
электричества, прошедшего через сопротивление однофазной утечки
на землю за интервал времени
]'','[ t
t
, рассчитывается в соответствии с
зависимостью (3.41), где лI − эффективное значение тока утечки. На-
чалом аварийного процесса должен считаться момент касания чело-
веком элемента электрооборудования, находящегося под напряжени-
ем, а окончанием - момент достижения амплитудой ЭДС двигателя
аварийного присоединения 3% от величины, соответствующей началу
выбега при работе (в предыдущий момент) с номинальной частотой
вращения и электропитании номинальным напряжением:
138
()
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
+
+
=
=
=
−
−
−
=
=
∫
∫
∫
.
;
1
;
;
1
;
1
3
2
1
2
4
4
3
3
1
1
2
2
1
i
i
i
i
dt
i
C
L
i
dt
i
i
i
i
R
i
u
R
i
dt
i
C
R
i
л
из
др
k
ак
из
ф
в
из
из
β
α
(3.40)
∫=
''
'
t
t
лdt
I
q
,
(3.41)
Структурная схема математической модели цепи однофазной
утечки тока на землю с учётом наличия устройства автокомпенсации
ёмкостной составляющей тока утечки на рис. 3 .9 . В состав модели
устройства автоматической компенсации ёмкостной составляющей
тока утечки (позиция 23) добавлены блоки выявления момента ре-
конфигурации сети. Определение логических переменных состояния
коммутационных аппаратов присоединений должно сопровождаться
формированием импульса при каждом изменении параметров изоля-
ции сети. По каждому импульсу блок "Gn" создаёт новую реализацию
коэффициента рассогласования v , которая поступает в блок вычис-
ления величины индуктивности дросселя L по выражению (2.47), что
позволяет учитывать стохастический характер ошибки автоматиче-
ской настройки компенсатора при изменении конфигурации системы.
Воздействие на величину количества электричества через со-
противление цепи утечки тока на землю со стороны факторов, изме-
няющихся случайно, определяет его вероятностный характер.
139
Lдр
dΣβi/dt
1i/ω
2
Сізф(1-v)
1i/ТАКp+1
Gn
v
L
Rиз.ф
Сиз.ф
3
1/3
Блок определе-
ния количества
электричества
(БКЭ)
NOT
Rиз
Си
uф.
Rут.
Автокомпенсатор
βі.
βі.
αАК ;βі.
αА
q.
Lдр
αАК ;βі.
Rут
uф
q
Iут
БКЭ
Рисунок 3.9 - Пример структуры модели цепи утечки тока на землю
Сиз
Сиз
Сиз
Rиз
li/ω
2
Cиз ф(l-v)
140
С учётом обозначения совокупности реализаций случайной ве-
личины количества электричества Q и допущения о нормальном рас-
пределении данной величины может бать обоснован критерий оценки
потенциальной электроопасности ЭТК участка шахты той или иной
конфигурации - вероятность того, что в конкретных условиях слу-
чайная величина Q примет значение, превышающее предельную ве-
личину доп
Q =50 mА⋅с [56], т.е . вероятность
)
( доп
Q
Q
P>
.
Вывод о по-
тенциальной опасности электропоражения человека может быть сде-
лан на основании сравнения вычисленного значения вероятности
)
( доп
Q
Q
P>
с предельным допустимым значением доп
P . При условии
известных выборочных характеристик распределения величины Q
вероятность
)
( доп
Q
Q
P>
может быть рассчитана по зависимости [99]:
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛−
Φ
−
=
>
s
Q
Q
Q
Q
P
доп
доп
5,0
)
(
,
(3.42)
В выражении (3.42) () ∫ −
=
Φ
х
z
dz
е
х
0
2/2
2
1
π
−
функция Лапласа, [106];
Q , s − соответственно, выборочные значения математического ожи-
дания и среднего квадратичного отклонения общего количества элек-
тричества через сопротивление тела человека в течение времени воз-
никновения и дальнейшего обесточивания (защитными устройства-
ми) цепи утечки тока на землю.
Рисунок 3.10 - Обобщённая схема математического моделирования
процессов в электротехническом комплексе участка шахты
при однофазной утечке тока на землю
К
о
н
ф
и
г
у
р
а
ц
и
я
и
п
а
р
а
м
е
т
р
ы
к
о
м
п
о
н
е
н
т
о
в
Э
Т
К
Математическая модель силовой части ЭТК участка шахты
Модель цепи однофазной утечки на землю
мгновенные значе-
ния напряжения в
аварийной точке
состояние коммутационных
аппаратов системы
мгновенные
значения тока
утечки
количество
электричества (Q )
через сопротивление
цепи утечки на землю
вероятность
Q >Qдоп
141
Обобщённая структура схемы математического моделирования
процессов в шахтном участковом электротехническом комплексе при
возникновении однофазной цепи утечки тока на землю с учётом воз-
действия обратных ЭДС АД потребителей приведена на рис. 3.10.
3.3 Анализ свойств обратных энергетических потоков
относительно формирования электропоражающего фактора
после отключения напряжения питания участковой
электросети
Обоснованная модель исследования состояния участкового элек-
тротехнического комплекса в случае возникновения цепи утечки тока
на землю (п. 3.2) предусматривает возможность варьирования коли-
чеством и параметрами асинхронных двигателей потребителей; коли-
чеством, сечениями и длинами применяемых кабелей. Это даёт воз-
можность выполнения комплексного исследования путём обобщения
и анализа результатов рассмотрения состояний участковых электро-
технических комплексов конкретных структур (в пределах типажных
рядов мощностей КТП и АД, сечений силовых жил кабелей, приме-
няемых в системах электроснабжения шахтных участков).
Временными характеристиками в этом случае следует считать
следующие контрольные моменты времени: t1 – момент возникнове-
ния однофазной утечки тока на землю в цепи двигателя первого при-
соединения ЭТК участка; t2 - момент защитного отключения АВ; t3 -
момент самопроизвольного отключения КА аварийного присоедине-
ния; t4 - момент "затухания" ЭДС двигателя аварийного присоедине-
ния, определяется по достижении амплитудой ЭДС вращения 3% от
начального значения; tКА1; ...; tКА7 моменты самопроизвольного от-
ключения КА присоединений системы. В данном случае аварийным
является присоединение No 1, поэтому tКА1=t3.
Моделирование утечки тока на землю в электротехническом ком-
плексе с n потребителями целесообразно выполнять при различных
режимах функционирования КА присоединений. При этом следует
учитывать следующие состояния его структурных составляющих:
- режим одиночного выбега двигателей потребителей ЭТК УШ
после защитного отключения напряжения питания обусловливается
принудительным отключением (одновременно с автоматическим вы-
ключателем) КА всех присоединений сети;
142
- нарушение электрической связи между двигателями приводит
к прекращению протекания уравнительных токов в присоединениях;
- характер затухания обратной ЭДС АД каждого присоединения
и снижения частоты вращения его ротора определяются параметрами
данного двигателя и условиями его выбега;
- идентичность двигателей присоединений определяет совпаде-
ние кривых обратных ЭДС и частот вращения их роторов;
- диапазон напряжений произвольного отключения контакторов
находится в пределах 0,3÷0,5 от номинального напряжения сети.
Эти соображения иллюстрируются диаграммами обратных ЭДС
(Uфеі), и угловых скоростей ni АД в режиме выбега (рис.3 .11) типово-
го электротехнического комплекса (рис. 3 .12).
Амплитуды тока утечки на землю іЛ и накопления количества
электричества q, прошедшего через сопротивление утечки (Rут=1
кОм) обусловливаются источниками ЭДС и конфигурацией кабель-
ных линий, соединяющих эти ЭДС с точкой возникновения утечки.
Типовыми состояниями ЭТК в этом случае являются.
1. До момента 2t защитного отключения АВ при отсутствии
компенсации ёмкостной составляющей тока утечки на землю состоя-
ние аварийной точки определяется напряжением питания и парамет-
рами изоляции кабельной сети участка шахты. После одновременного
с АВ отключения КА всех присоединений состояние цепи утечки оп-
ределяют обратная ЭДС двигателя аварийного присоединения и па-
раметры изоляции его гибкого кабеля (рис. 3 .13).
2. Коммутационные аппараты присоединений остаются вклю-
ченными некоторое время при групповом выбеге двигателей, в этом
случае АД остаются электрически соединёнными, общая часть сети
уравнивает обратные ЭДС двигателей, в присоединениях протекают
уравнительные токи (рис. 3 .14) [103].
Фазы уравнительных токов не являются одинаковыми из-за не-
возможности нарушения первого закона Кирхгоффа для общей части
сети. Это, при одинаковых фазных соотношениях обратных ЭДС дви-
гателей определяет функционирование некоторых АД в двигатель-
ном, а других – в генераторном режимах [103-105]. После защитного
отключения АВ двигатели присоединений No 4-7 (рис. 3.15) функцио-
нируют в двигательном режиме, потребляя энергию, которую отдают
АД присоединений No 1-3, перешедшие в генераторный режим. Со-
стояние цепи однофазной утечки тока на землю определяется ЭДС
группового выбега двигателей и (через неизменность конфигурации
ЭТК участка шахты) параметрами изоляции сети (рис. 3.16).
143
Рисунок 3.11 - Диаграммы действующих значений фазных ЭДС выбега (а)
и частот вращения роторов (б) двигателей потребителей ЭТК участка
при напряжении сети 660 В в режиме одиночного выбега
2 ЭВТ 3х120
l=50м
КГЭШ 3х35
l=20м
КГЭШ 3х50
l=50м
КГЭШ 3х50
l=210м
КГЭШ 3х16
l=50м
КГЭШ 3х50
l=210м
КГЭШ 3х35
l=50м
КГЭШ 3х35
l=50м
КА1
SA2
КА2
КA3
КА4
КA5
КА6
КA7
КТПВ 630-6/069
160 кВт
55 кВт
18,5 кВт
30 кВт
55 кВт
160 кВт
160 кВт
Rут
Рисунок 3.12 – Схема ЭТК участка шахты, принятая для моделирования
об/мин
аварийный процесс
аварийный процесс
144
Рисунок 3.13 - Диаграммы, характеризующие состояние цепи утечки тока
на землю в ЭТК (напряжение 660 В) при отключении КА присоединений
одновременно с АВ: ток (кривая 1) однофазной утечки на землю iл; кривая 2
накопление количества электричества q через сопротивление Rут; ёмкость Cиз ф
(3) и активное сопротивление Rиз ф (4) изоляции фазы кабельной сети,
определяющие ток утечки; компенсация ёмкостного тока утечки отсутствует
Rиз.ф Сиз.ф
Рисунок 3.14 - Диаграммы модулей пространственных векторов
уравнительных токов присоединений во время группового выбега
асинхронных двигателей (1–7 обозначают номер присоединения)
ie. A
145
Экспоненциальное снижение групповой ЭДС двигателей (рис.
3.20) ведёт к уменьшению напряжения на катушках управления кон-
такторами коммутационных аппаратов присоединений, что является
причиной самопроизвольного отключения последних (рис. 3 .19). На
интервале [t2, t3] (рис. 3 .17) нахождения двигателей в режиме группо-
вого выбега (на протяжении включенного состояния коммутацион-
ных аппаратов) в общей части сети формируется ЭДС группового
выбега, поддерживающая ток утечки (рис. 3.19, б).
Рисунок 3.15 − Диаграммы электромагнитных моментов (а) и мгновенных
значений мощности (б) двигателей ЭТК (напряжение 660 В) во время
группового выбега; ось (в) для иллюстрации временнóго диапазона,
изображённого на диаграммах (а) и (б)
«затухание» ЭДС АД при-
соединения с цепью утеч-
ки тока на землю
Отключение АВ
Утечка тока на землю
ОПАСНЫЙ ПРОЦЕСС
146
20
0
q,
мА⋅с
t,c
t,c
опасный процесс
утечка тока
затухание ЭДС АД присоединения с утечкой
t1 t2
t4
б)
отключение АВ
а)
iл,
А
40
60
80
q
іл
Рисунок 3.16 – Диаграммы тока іл и количества электричества q через
сопротивление утечки на землю (а) в сети напряжения 660 В при постоянно
включенных коммутационных аппаратах присоединений и при отсутствии
компенсации ёмкостной составляющей тока утечки на землю;
ось (б) - временнóго диапазона, изображённого на диаграммах (а)
Рисунок 3.17 − Диаграммы эффективных значений ЭДС двигателей
Uфе1-Uфе7 (фазные величины) во время аварийного процесса в ЭТК
(напряжение 660 В) при отключении КА присоединений
в момент снижения напряжения в сети до 50% от номинального уровня
отключение КА всех присоединений
отключение АВ
утечка тока на землю
«затухание» ЭДС АД присоеди-
нения с цепью утечки на землю
147
45
30
15
0
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
50
40
30
20
10
q,
мА⋅с
Сиз ф,
мкФ
Rиз ф,
МОм
iл,
А
60
t,c
а)
б)
t,c
опасный процесс
утечка тока
«затухание» ЭДС АД
присоединения с утечкой
t1 t2
t4
отключение АВ
30.1
32
30
t3
30,4
откл. КА всех присоединений
t1
t2
t3
q
Сіз ф
Rіз ф
іл
Рисунок 3.18 – Диаграммы тока утечки іл, накопления количества
электричества q через сопротивление аварийной точки, ёмкости Cиз ф
и активного сопротивления Rиз ф изоляции фазы кабельной сети
в условиях ЭТК напряжением 660 В (а) при отключении КА присоеди-
нений по уменьшению напряжения в сети до 50% от номинального; ось
(б) для иллюстрации временнóго диапазона диаграмм (а)
Рисунок 3.19 – Диаграммы, полученные моделированием переходного
процесса при возникновении утечки тока на землю в ЭТК напряжением
660 В, характеризующие величину тока утечки іл, количество электричества q
через сопротивление утечки и параметры изоляции сети Сиз ф, Rиз ф,
влияющие на состояние цепи утечки
Сиз.ф
Сиз.ф
Rиз.ф
Rиз.ф
148
После самопроизвольного отключения всех присоединений дви-
гатели переходят в режим одиночного выбега. Ток однофазной утеч-
ки на землю в данном режиме функционирования присоединений
поддерживается ЭДС вращения двигателя аварийного присоединения
(рис. 3.18). Изменение конфигурации сети в момент t3 самопроиз-
вольного отключения КА присоединений создаёт скачкообразное из-
менение параметров изоляции кабельной сети, определяющих со-
стояние аварийной точки (реконфигурация сети изменяет характер
затухания тока утечки землю).
В связи с различиями параметров, двигатели обмениваются
мощностями [106-107]. При составлении энергетического баланса
системы установлено, что суммарная энергия ∑ іг
W , отданная АД на
протяжении их функционирования в генераторном режиме, равна
энергии ∑ ід
W , потреблённой другими АД во время их нахождения в
двигательном режиме (после отключения напряжения питания сети) с
допустимой для технических расчётов погрешностью 0,4%. Это сви-
детельствует о выполнении закона сохранения энергии.
Диаграммы (рис. 3.20 и 3.21) иллюстрируют процесс накопления
количества электричества в цепи утечки тока на землю с учётом воз-
действия обратных ЭДС распределённых источников (в т.ч., после
отключения напряжения сети) и стохастического закона отключения
контакторов пускателей соответствующих присоединений.
Наличие в системе устройства автоматической компенсации тока
утечки на землю позволяет улучшить состояние электробезопасности
аварийной точки в начале опасного состояния (момент 1t ) до момента
3t самопроизвольного отключения коммутационного аппарата ава-
рийного присоединения (рис. 3 .20, в). Ёмкостная составляющая тока
утечки на землю не компенсируется полностью из-за перестройки
индуктивности автокомпенсатора при стохастическом изменении
конфигурации сети, что иллюстрирует сопоставление диаграмм реак-
тивных сопротивлений ёмкости (
между тремя фазами сети
)
/(
1
із
C
C
x
ω
=
и индуктивности компенсирующего дросселя
к
L
L
x
ω
=
(рис. 3.20, б). После самопроизвольного отключения коммутационно-
го аппарата аварийного присоединения (момент 3t ) компенсация ём-
костной составляющей тока утечки на землю невозможна, т.к. нару-
шается электрическая связь компенсирующего дросселя с аварийной
точкой (рис. 3.20, б). Состояние цепи утечки обусловливается обрат-
149
ной ЭДС двигателя и параметрами изоляции присоединения с цепью
утечки тока на землю.
Предложенные исследовательские подходы позволяют опреде-
лять параметры цепи утечки тока на землю с учётом конкретики кон-
фигурации источников ЭДС, воздействующих на точку утечки. Это
позволяет установить потенциальную опасность обратных ЭДС (рис.
3.21) при условии применения машин высокой мощности и перехода
на питание напряжением повышенного номинального уровня (1140
В) и сделать взвод о целесообразности применения дополнительных
технических решений по ускорению обесточивания цепи утечки тока
на землю при защитном отключении сети.
Рисунок 3.20 – Диаграммы моделирования переходного процесса в ЭТК
напряжением 660 В при утечке тока на землю при наличии автокомпенса-
ции ёмкостного тока утечки: а − ёмкостное сопротивление изоляции трёх
фаз сети относительно земли хС и индуктивное сопротивление автокомпен-
сатора xL; б − мгновенные значения тока утечки iл и накопление количества
электричества q через сопротивление утечки [35; 108]; t1- момент возник-
новения утечки тока; t2- момент отключения АВ; t3- момент отключения
коммутационного аппарата аварийного присоединения
хL
∞ относительно це-
пи утечки тока на землю
150
Рисунок 3.21 – Пример расчётной диаграммы моделирования переходного
процесса ЭТК напряжением 1140 В при утечке тока на землю с учётом дейст-
вия обратных ЭДС АД пяти потребителей и стохастического закона отключе-
ния контакторов КА1-КА5 их пускателей: а – накопление количества элек-
тричества q через сопротивление утечки и параметры изоляции сети Сиз ф, Rиз
ф, которые влияют на состояние цепи утечки ЭТК; б – ток утечки на землю іл;
устройство компенсации ёмкостной составляющей тока утечки на землю от-
сутствует. Параметры присоединений:
Р1=250 кВт; кабель КГЭШ 3х35, l - 390 м;
Р2=250 кВт; кабель КГЭШ 3х35, l - 390 м;
Р3=295 кВт; кабель КГЭШ 3х50, l - 390 м;
Р4=340 кВт; кабель КГЭШ 3х70, l - 390 м;
Р5=110 кВт; кабель КГЭШ 3х16, l - 390 м
Rиз.ф
Cиз.ф
Rиз.ф
Cиз.ф
151
3.4 Обобщение функции воздействия обратных энергетических
потоков асинхронных двигателей на состояние электробезопас-
ности с учётом параметров и условий эксплуатации электротех-
нического комплекса
Обобщая результаты, изложенные в п.3.3, можно сделать взвод,
что электробезопасность ЭТК участка шахты определяется (рис.
3.22): сопротивлением цепи утечки тока на землю; уровнем питающе-
го напряжения; продолжительностью отключения сети; обратной
ЭДС АД; параметрами изоляции кабелей ЭТК; характером самопро-
извольного отключения коммутационных аппаратов присоединений.
Анализируя указанные процессы, следует иметь в виду, что после
момента отключения ток в присоединении и в статорной обмотке АД
рамен нулю ( 0
=
i ). Соответственно, является нулевым и электромаг-
нитный момент двигателя (
0
=
M ). При таких условиях система урав-
нений, описывающая процессы в присоединении ЭТК в системе ко-
ординат статора АД, имеет вид:
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
−
=
ω
−
ω
=
=
,
;
;
1
J
M
dt
d
T
i
i
j
dt
id
dt
id
L
u
ñ
r
r
r
r
r
m
(3.43)
где ri − пространственный вектор свободного тока ротора; 1
u −про-
странственный вектор напряжения в месте подключения ГК присое-
динения к КА, равен вектору напряжения на зажимах статора АД (т.к
ток в присоединении отсутствует); m
L − индуктивность главного маг-
нитного контура АД.
Свободный ток ротора, определяющий величину ЭДС враще-
ния, обусловлен постоянной времени ротора
r
r
r
R
L
T
/
=
и характером
снижения частоты вращения ω ротора двигателя во время выбега, на
что указывает второе уравнение системы (3.43). Важным следует счи-
тать учёт влияния на продолжительность существования обратной
ЭДС АД величин момента сопротивления Мс и момента инерции J
привода (с увеличением нагрузки, уменьшением момента инерции
замедление ротора осуществляется интенсивнее, что ускоряет сниже-
ние ЭДС вращения). Это сопровождается снижением продолжитель-
152
ности существования опасных уровней обратной ЭДС и, соответст-
венно, уменьшением общего количества электричества через сопро-
тивление человека за время аварийного процесса.
Таким образом, можно сделать вывод о влиянии на состояние
электробезопасности эксплуатации участкового электротехнического
комплекса не только параметров его структурных составляющих, но
и условий эксплуатации асинхронных двигателей потребителей.
Представляет опасность состояние, когда после защитного отключе-
ния сети (в связи с возникновением утечки тока на землю) сохраняет-
ся включенное состояние коммутационных аппаратов присоединений
в течение времени существования ЭДС АД. От момента 1t возникно-
вения утечки тока на землю до момента 2t защитного отключения се-
ти от питающей подстанции эффективное значение тока утечки на
землю вычисляется в соответствии с зависимостью [27], А:
Рисунок 3.22 - Структурная схема для иллюстрации влияния
на электробезопасность ЭТК участка параметров элементов
и режимов их работы
Сопротивление цепи однофазной утечки на землю
Параметры са-
мопроизволь-
ного откл. КА
присоединений
Параметры
изоляции
кабельной сети
Обратные
ЭДС АД по-
требителей
Свободные
токи роторов
Характер замедле-
ния роторов АД
Уровень напряжения питания
Продолжительность защитного откл. сети
Постоянные времени рото-
ров АД присоединений
Моменты сопротивления
на валах АД
Моменты инерции приводов
Длины кабелей сети
Сечения жил кабелей сети
Математические ожидания
напряжений самопроиз-
вольного отключения КА
Дисперсии напряжений
самопроизвольного отклю-
чения КА
Э
л
е
к
т
р
о
б
е
з
о
п
а
с
н
о
с
т
ь
э
к
с
п
л
у
а
т
а
ц
и
и
у
ч
а
с
т
к
о
-
в
о
г
о
э
л
е
к
т
р
о
т
е
х
н
и
ч
е
с
к
о
г
о
к
о
м
п
л
е
к
с
а
153
2
2
2
9
1
3
ф
из
с
ут
л
л
C
R
U
I
ω
+
=
′
,
(3.44)
где л
U - эффективное значение линейного напряжения сети, В; с
ω-
круговая частота напряжения сети, рад/с; За указанный временнóй
интервал через сопротивление тела человека проходит количество
электричества, определяемое выражением (рис. 3.23), А·с:
зв
л
л
t
I
t
t
I
Q
Δ⋅
′
=
−
′
=
)
(1
2
1
,
(3.45)
где
1
2t
t
tзо
−
=
Δ
-
продолжительность выявления аппаратом защиты
опасного состояния и отключения сети, с. Экспоненциально сни-
жающаяся ЭДС вращения от момента 2t до момента
T
t
t
4
2
4
+
≈
(уменьшение ЭДС вращения до 3% от начального значения) обуслов-
ливает протекание через сопротивление тела человека соответствую-
щей составляющей тока утечки [35]:
T
t
t
л
t
t
л
e
I
I
2
2
2
−
−
≥
′
=
.
(3.46)
Количество электричества через сопротивление тела человека за
временнóй промежуток ( 2t , 4t ) равняется интегралу, А·с:
∫=
4
2
2
2
t
t
лdt
I
Q
,
(3.47)
Вычисляя его, получаем:
⎟⎟
⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎜
⎝
⎛
−
⋅
⋅
′
=
−
T
t
t
л
e
T
I
Q
4
2
1
2
.
(3.48)
Учитывая, что
T
t
t
4
2
4
≈
−
, выражение
T
t
t
e
4
2
1
−
−
составляет 0,982 ≈
1, тогда
T
I
Qл⋅
′
=
2
.
Общее количество электричества через сопротив-
ление человека за время ( 1t - 4t ) составляет, А·с:
2
2
2
2
1
9
1
3
)
(
)
(
ф
из
с
ут
зо
л
зо
л
C
R
T
t
U
T
t
I
Q
Q
Q
ω
+
+
Δ
⋅
=
+
Δ
⋅
′
=
+
=
.
(3.49)
154
t
Iл
t1
t4
t2
Q1
Q2
T
t
t
лe
I
2
−
−
⋅
′
зв
t
Δ
Т
4
л
I′
Рисунок 3.23 – Диаграмма изменения
эффективного значения тока утечки
на землю в ЭТК при сохранении
включенного состояния коммутаци-
онных аппаратов присоединений в
течение аварийного процесса
Δtзо
Последнее выражение позво-
ляет вычислить общее количество
электричества через сопротивле-
ние тела человека при условии
продолжительного включенного
состояния коммутационных аппа-
ратов присоединений. Анализ
данного выражения свидетельст-
вует, что постоянная времени за-
тухания обратной ЭДС двигателей
влияет на величину количества
электричества в той же степени,
что и время защитного отключе-
ния сети. Продолжительность за-
щитного отключения сети при
возникновении утечки Rут=1 кОм
не должна превышать для сетей
л
U=380Ви л
U =660 В – величины
зо
tΔ =0,1 с; для сетей л
U =1140 В - величины зо
t
Δ =0,07 с [55].
Подставляя эти значения в (3.49), имеем:
2
5
6
380
10
9,2
1
10
3
38
380
ф
из
B
С
Т
Q
⋅
+
⋅
+
=
, А·с;
(3.50)
2
5
6
660
10
9,2
1
10
3
66
660
ф
из
B
С
Т
Q
⋅
+
⋅
+
=
, А·с;
(3.51)
2
5
6
1140
10
9,2
1
10
3
8,
79
1140
ф
из
B
С
Т
Q
⋅
+
⋅
+
=
, А·с.
(3.52)
155
Из (3.50)-(3.52) следует, что общее количество электричества
через сопротивление тела человека за время аварийного процесса,
при фиксации сопротивлении цепи утечки и продолжительности за-
щитного отключения сети на обусловленных стандартом уровнях, за-
висит от 2-х параметров. Зависимость величины Q от постоянной
времени T - линейная, а от ёмкости изоляции сети – нелинейная. На
рис. 3 .24 представлены построенные по приведенным зависимостям
диаграммы, иллюстрирующие зависимость общего количества элек-
тричества от ёмкости изоляции сети при разных уровнях постоянной
времени затухания ЭДС вращения. Кривые, соответствующие T=0,
Рисунок 3.24 – Зависимость общего количества электричества через сопро-
тивление тела человека (1 кОм) от ёмкости изоляции фазы сети и постоянной
времени обратной ЭДС двигателей при возникновении утечки тока
на землю в ЭТК при условии сохранения включенного состояния
коммутационных аппаратов присоединений в течение аварийной ситуации:
α – номинальное линейное напряжение сети 380В; б – 660 В; в – 1140 В
Cиз ф
Cиз ф
Cиз ф
156
характеризуют состояние системы при условии подавления ЭДС
вращения двигателей после защитного отключения сети.
Для всех уровней напряжения (380 В, 660 В, 1140 В) при Сиз ф=
=0,1÷3 мкФ/фазу указанные кривые - ниже предельного уровня коли-
чества электричества через сопротивление тела человека
=
доп
Q50
mА·с. Это доказывает эффективность принудительного подавления
обратной ЭДС. Изменение конфигурации системы из-за самопроиз-
вольного отключения коммутационного аппарата аварийного присое-
динения во время выбега АД до этого времени учитывается продол-
жительностью включенного состояния данного КА. Этот параметр
считается неизменным для КА конкретного типа. Однако различные
уровни нагрузки АД, или разное количество АД, одновременно нахо-
дящихся в состоянии выбега, изменяют параметры затухания обрат-
ной ЭДС. Этим изменяется продолжительность включенного состоя-
ния КА ЭТК после отключения сети. Корректной характеристикой
состояния КА при выбеге АД является относительное значение на-
пряжения самопроизвольного отключения "α":
a
T
t
t
зо
=
⎟⎠
⎞
⎜⎝
⎛
′
Δ
−
−
3
exp
, (где
зо
t
tΔ
=
2
-
момент защитного отключения напряжения со стороны
Рисунок 3.25 – Диаграммы процесса утечки тока на землю в ЭТК
при одновременном самопроизвольном отключении КА всех присоеди-
нений при снижении относительного значения ЭДС вращения до уровня
a : а – относительное значение напряжения на катушках коммутацион-
ных аппаратов; б – эффективное значение тока утечки на землю
t
Iл
t1=0
t4
t2
Q1
Q2
T
t
t
лe
I
′
−
−
⋅
′
2
зв
t
Δ
Т′
4
Q3
л
I′
л
I′′
T
t
t
лe
I
′′
−
−
⋅
′′
2
t3
t
t2
t3
T
t
t
e
′
−
−
2
н
U
U
a
1
а)
б)
Δtзо
157
КТП; t3 - момент одновременного произвольного отключения КА
всех присоединений при достижении ЭДС АД величины "α".
Момент t3 выражается как функция продолжительности защит-
ного отключения сети
зо
tΔ , постоянной времени затухания ЭДС АД
T ′ и параметра "α":
a
T
t
t
зо
ln
3
′
−
Δ
=
. От момента t1 =0 до момента t2,
т.е.,
зо
t
t
t
Δ
=
−
1
2
, ток утечки лI ′ на землю и количество электричества
1
Q , в цепи утечки, определяются зависимостями (3.44) и (3.45). От
момента t2 до момента t3 одновременного самопроизвольного отклю-
чения КА присоединений количество электричества через сопротив-
ление утечки составляет (рис. 3.25, б):
∫′
−
−
′
=
3
2
2
2
t
t
T
t
t
л
dt
e
I
Q
.
(3.53)
Учитывая, что момент 3t определяется зависимостью (3.13) и
величина 2t равняется зо
t
Δ , вычисление последнего интервала позво-
ляет установить количество электричества, А·с:
)
1(
2
a
T
I
Qл
−
′
′
=
.
После момента t3 до окончания аварийного процесса (t4) ток
утечки определяется параметрами кабеля аварийного присоединения
и постоянной времени Т ′′ обратной ЭДС АД присоединения с утеч-
кой. Соответствующее количество электричества:
∫′′
−
−
′′
=
4
3
2
3
t
t
T
t
t
л
dt
e
I
Q
,
(3.54)
где
2
2
2
9
1
3
ав
ф
из
в
л
л
C
R
U
I
ω
+
=
′′
-
ток утечки на землю (А), обуслов-
ленный ёмкостью изоляции С из ф ав кабеля присоединения с утечкой
тока на землю. Таким образом, влияние ЭДС АД аварийного присое-
динения проявляется в увеличении количества электричества через
сопротивление утечки на землю.
158
РАЗДЕЛ 4
АВТОМАТИЧЕСКОЕ ДВУСТОРОННЕЕ ОБЕСТОЧИВАНИЕ
ШАХТНОГО УЧАСТКОВОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО
КОМПЛЕКСА КАК НАПРАВЛЕНИЕ ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕГО ЗАЩИТЫ ОТ АВАРИЙНЫХ И
ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ
4.1 Обратная ЭДС асинхронного двигателя как фактор
воздействия на место междуфазной повышенной
проводимости после защитного отключения сети
Обобщённое рассмотрение функции воздействия обратной ЭДС
асинхронного двигателя предусматривает её определение относи-
тельно цепей появления аварийных состояний сети, таких, как меж-
дуфазные короткие замыкания и междуфазные дугообразования, что
иллюстрируется рис. 4.1, где обозначены: R1 – сопротивление меж-
дуфазного дугообразования; R2 - сопротивление утечки тока на зем-
лю; - цепь короткого замыкания между фазами или между фазой и
"землёй".
Рисунок 4.1 - Обобщённая схема шахтного участкового
электротехнического комплекса с выделением цепей вероятных опасных
состояний в силовом присоединении асинхронного двигателя
TV
uф
Zтр SA
РПНН КТП
КМ1
Zгк1.1
Rіз ф 1.1
Сіз ф 1.1
Zгк n
Rізфn
Сізфn
Мn
КМn
K2
R2
М1
K1
R1
Zгк1.2
Rіз ф 1.2
Сіз ф 1.2
ГКn
ГК1
РУНН КТП
Сизфn
Rизфn
Rизф1.1
Сизф1.1
Rизф1.2
Сизф1.2
159
В структурной форме схема шахтного участкового электротех-
нического комплекса, включающая присоединения, нагруженные
асинхронными двигателями, приведена на рис. 4.2 и согласуется с
теоретическими принципами исследования, обоснованными в разделе
3, в частности, с формализацией математической модели объекта.
При рассмотрении состояний коротких замыканий должны учи-
тываться следующие особенности:
-
в случае возникновения трёхфазного короткого замыкания на-
пряжение в месте повреждения кабеля равно нулю (
0
;02
2
=
=
β
α
u
u
),
статор становится короткозамкнутым, и его потокосцепление в пер-
вый момент остаётся неизменным, что приводит к возникновению
кратковременной бестоковой паузы на участке между точкой повре-
ждения кабеля и АД;
-
наиболее существенное различие между трёхфазным и двух-
фазным коротким замыканием состоит в том, что двигатель при
двухфазном к.з. остаётся соединённым с питающей сетью через непо-
SA
КМ1
ГК1
КМn
ГКn
КТП
М1
Мn
Usα1
Usβ1
Usβn
Usαn
I1α
I1β
Inβ
Inα
U2α1
U1α1
U2β1
U1β1
Uα1
Uβ1
M1
N1
Mn
Nn
IΣα
IΣβ
U2αn
U2βn
Рисунок 4.2 – Обобщённая структурная схема модели шахтного участкового
электротехнического комплекса с распределёнными присоединениями n
асинхронных двигателей потребителей
160
вреждённую фазу, и установившийся ток в обмотках статора не равен
нулю. Фаза "А" присоединения обесточена (
β
α
1
1
1
;0 ji
i
i
=
=
), а напря-
жение между фазами "В" и "С" отсутствует:
;0
2=
β
u
.
;
2
2
α
u
u
u
u
c
b
=
=
Специфическим видом аварийного состояния силового присое-
динения шахтного участкового электротехнического комплекса явля-
ется междуфазное дугообразование (дуговое замыкание). Одной из
причин такого состояния является ухудшение состояния резиновой
изоляции (внутренних) силовых жил кабеля оголённой заземляющей
жилой при внешнем сильном сжатии, что имеет место в сложных ус-
ловиях эксплуатации шахтной кабельной сети [76].
Опасность процесса состоит в том, что сопротивление электри-
ческой дуги не равно нулю и, как правило, соразмерно активному со-
противлению нагрузки (асинхронного двигателя потребителя). Про-
цесс дугового замыкания не может быть выявлен средствами макси-
мальной токовой защиты пускателей (или аналогичных коммутаци-
онных аппаратов), хотя дугообразования носят все признаки опасно-
сти открытого воспламенения в условиях шахты. Максимум, что воз-
можно в данном случае, - это защитное отключение сети по команде
аппарата защиты от утечек тока на землю в случае, если вследствие
дугового замыкания имело место создание цепи между фазой сети и
землёй.
В ином случае, функция защитного отключения силовой цепи с
участком междуфазного дугообразования требует применения специ-
ального защитного устройства. Как вариант, это может быть макси-
мальная токовая защита с изменяемой уставкой, величина которой
уменьшается после окончания пуска асинхронного двигателя соот-
ветствующего присоединения [109; 110]. Однако, учитывая опасность
междуфазного дугообразования в условиях эксплуатации электротех-
нического комплекса шахтного участка, актуальным представляется
исследование процессов, которыми сопровождается это опасное со-
стояние в контексте целесообразности применения средств отделения
от сети обратного энергетического потока асинхронного двигателя
аварийного присоединения.
На расчётной схеме (рис. 4 .1) имитация междуфазного дуго-
образования выполняется подключением активного сопротивления
R1 между двумя фазами сети питания асинхронного двигателя кон-
тактом К1. Учитывая соразмерность сопротивления дуги и активного
161
сопротивления АД средней мощности, введём допущение, что сопро-
тивление дуги находится в пределах 0,5 Ом<Rэд<2 Ом.
Таким образом, предметом исследования принимаются пара-
метры тока в сети питания двигателя, на интервале его пуска, работы
при номинальной нагрузке, в момент возникновения и в последую-
щее время существования междуфазного дугообразования. В упомя-
нутых координатах времени (t) представлены токи трёх фаз в сети
между участковой подстанцией и звеном дугообразования, между АД
и звеном дугообразования, а также в самом звене дугообразования.
При этом, учитываются состояния электротехнического комплекса,
приведенные на рис. 4 .3 . Результаты исследования в виде диаграмм
тока (рис. 4.4 и 4.5) свидетельствуют о целесообразности применения
Рисунок 4.3 – Вероятные состояния электротехнического комплекса,
подлежащие исследованию
В работе 1 АД аварийного присоединения. Ос-
тальные АД не работают
В работе все АД
потребителей участка
Защитное отключение
сети не состоялось
Отделение от сети обратного
энергетического потока АД
аварийного присоединения
В сети действует обобщен-
ный обратный энергетиче-
ский поток от совокупности
АД потребителей
Состоялось через tc (после
начала междуфазного
состояние No3)
Состоялось через
tc) после начала
междуфазного ду-
гообразования
Отделение от сети обратного энергетического по-
тока АД
Защитное отключение сети состоялось через 0,1 с
Отделение от сети обратного
энергетического потока АД
Не состоялось
(состояние No1)
Не состоялось
(состояние No4)
Не состоялось
(состояние No2)
Состоялось через tc (после
начала междуфазного
состояние No5)
Защитное отключение сети
состоялось через 0,1 с
162
средств принудительного отделения от сети энергетического потока
АД аварийного присоединения в случае возникновения междуфазно-
го дугообразования в сети электропитания.
Свойство асинхронных двигателей создавать обратные энерге-
тические потоки в состоянии выбега после отключения напряжения
питания позволяет сделать вывод о недостаточности защитной функ-
ции, которая создаётся при отключении энергетического потока ком-
плектной трансформаторной подстанции в случае возникновения
аварийного или опасного состояния участкового электротехнического
комплекса. Опыт предшествующих исследований указывает на ра-
циональность обесточивания повреждённого силового присоедине-
ния как со стороны участковой КТП, так и со стороны асинхронного
двигателя потребителя. Доказаны:
а
б
в
Рисунок 4.4 – Диаграммы тока в аварийной точке при возникновении
дугообразования в кабеле питания АД (состояния: а - No1; б - No2; в - No3)
163
-
неприемлемость подчинения средства отделения от сети об-
ратной ЭДС АД функции срабатывания защиты со стороны КТП;
-
высокая вероятность потери работоспособности функции дву-
стороннего защитного обесточивания силового присоединения в слу-
чае передачи команды от защитного устройства со стороны КТП на
отделение от сети обратной ЭДС АД по кабелю защищаемого сило-
вого присоединения.
Функция отделения от сети обратной ЭДС АД должна выпол-
няться по команде расположенного на вводе АД автономного средст-
ва определения аварийного (опасного) состояния кабеля питания АД
одновременно со срабатыванием защитного устройства со стороны
КТП. С этой целью актуален поиск информационного сигнала для
идентификации аварийного (опасного) состояния кабеля питания АД
техническими средствами автономного устройства защиты.
4.2 Анализ процессов в электромеханической системе "сило-
вое присоединение – асинхронный двигатель" в контексте
поиска информационного сигнала о начале опасного состоя-
ния
Рассматривая короткое замыкание как аварийное состояние
электротехнической системы "силовое присоединение – асинхронный
Рисунок 4.5 - Диаграммы тока в аварийной точке при возникновении
дугообразования в кабеле электропитания АД при работе
всех потребителей участка: а - состояние No 4; б - состояние No 5
а)
б)
164
двигатель", следует учитывать вероятность следующих его состоя-
ний:
-
короткое замыкание – трёхфазное и возникает мгновенно ме-
жду всеми тремя фазами кабеля электропитания АД;
-
короткое замыкание – трёхфазное и возникает сначала между
двумя фазами гибкого кабеля электропитания АД с последующим за-
мыканием через время Δt1 третьей фазы с предыдущими двумя;
-
двухфазное замыкание в гибком кабеле электропитания АД.
Следует ожидать, что в момент возникновения трёхфазного ко-
роткого замыкания будет прекращаться ток от питающей трансфор-
маторной подстанции до цепи статора двигателя, после чего двига-
тель, как электрогенерирующая машина, начнёт подпитку точки за-
мыкания своим обратным энергетическим потоком.
Анализ параметров тока статора АД (рис. 4.6) позволяет сделать
вывод, что реакцией АД на возникновение трёхфазного короткого за-
мыкания в кабеле электропитания является формирование тока высо-
кой амплитуды (токоограничивающие факторы – собственные сопро-
тивления АД и кабеля между АД и точкой к.з.), который в дальней-
шем уменьшается экспоненциально до нуля. Характерной особенно-
стью процесса является то, что в его начале (в момент t2 возникнове-
ния к.з.) имеет место кратковременное (интервал, определяемый
площадью "А" на рис. 4.6) уменьшение статорного тока [111; 112].
Это является следствием переходного процесса, обусловленного из-
менением направления энергетического потока в сети статора АД,
что обусловлено преобразованием двигателя из объекта энергопо-
требления (от питающей участковой трансформаторной подстанции)
в объект генерирования обратного энергетического потока, что со-
провождается появлением тока в точке возникновения к.з . в кабеле
питания. Поэтому, типовым явлением, характеризующим процесс
возникновения междуфазного к.з. в кабеле электропитания АД можно
считать кратковременное уменьшение статорного тока с последую-
щим интенсивным его увеличением.
Выявление указанного эффекта может быть осуществлено фик-
сированием моментов двойного прохождения током статора величи-
ны уставки срабатывания Іу (в момент времени t1 при уменьшении и в
момент времени t2 при последующем увеличении, рис. 4 .7). Учитывая
скоростные показатели изменения тока, трёхфазному короткому за-
мыканию в кабеле питания АД должно соответствовать состояние,
когда момент t2 будет находиться в интервале Δt импульса фиксиро-
165
ванной ограниченной продолжительности, сформированного в мо-
мент времени t1 [113].
Исследование закономерностей изменения указанного парамет-
ра в условиях применения АД конкретного типажного ряда мощно-
стей в зависимости от сечений и длин их питающих гибких кабелей
до места к.з. (рис. 4.8) позволило установить что: амплитуда кратко-
временного интенсивного уменьшения статорного тока изменяется в
пределах 0,25÷0,7 от номинального тока нагрузки; продолжитель-
ность tp этого уменьшения находится в пределах 0,5÷0,7 мс. С увели-
чением мощности асинхронного двигателя потребителя амплитуда
тока i1m увеличивается, а продолжительность tp – уменьшается.
Однако, крайне малые амплитудный и временнóй диапазоны ин-
тервала уменьшения статорного тока с учётом его нестабильности в
процессе работы двигателя обусловливают нецелесообразность ис-
пользования указанного эффекта для формирования информационно-
го сигнала о возникновении к.з. в кабеле питания АД из-за высокой
вероятности ошибки. Кроме этого, следует иметь в виду, что данный
процесс характерен исключительно для возникновения трёхфазного
короткого замыкания в кабеле питания и не сопровождает возникно-
вение двухфазного к.з .
Рисунок 4.6 – Действующее значение тока статора асинхронного двигателя
2ЭКВ4УС2 (Р=220 кВт) с учётом пускового режима, наброса номинальной
нагрузки в момент t1 и возникновения к.з. в кабеле питания в момент
времени t2 (линейное напряжение сети 660 В)
166
Продолжитель-
ность Δt
Рисунок 4.7 – Диаграммы параметров устройства реагирования
на эффект кратковременного снижения тока
а)
б)
Рисунок 4.8 – Действующее значение тока статора в момент возникнове-
ния трёхфазного к.з.: а - при изменении длины кабеля (S=70мм
2
);
б - при изменении мощности АД (к.з. на зажимах двигателя)
167
Это объясняется наличием неполнофазной гальванической связи
с сетью питания асинхронного двигателя во время между возникно-
вением аварийного состояния и моментом дальнейшего отключения
сети со стороны питающей участковый трансформаторной подстан-
ции. В то же время, конструкция шахтного кабеля (распределения си-
ловых жил) усложняет возможность возникновения внезапного,
мгновенного замыкания всех трёх фаз.
Таким образом, среди режимов короткого замыкания в кабеле
электропитания АД начальным аварийным является состояние двух-
фазного к.з. Это состояние сопровождается повышением тока в ста-
торе АД, но параметры тока не содержат таких составляющих, кото-
рые на начальном этапе аварийного процесса существенно отлича-
лись бы от параметров повышения статорного тока под влиянием
других факторов. Следовательно, идея использования тока статора
АД как исходного параметра для формирования информационного
сигнала о коротком замыкании в кабеле питания должна быть откло-
нена.
Известно, что в процессе выбега асинхронного двигателя после
защитного отключения сети групповым автоматическим выключате-
лем (по сигналу от устройств максимальной токовой защиты или ап-
парата защиты от утечек тока на землю) вектор напряжения на сбор-
ных шинах определяется, кроме параметров схем замещения АД, час-
тотами вращения роторов. Таким образом, факт нахождения двигате-
ля в режиме выбега может быть установлен путём определения
уменьшения частоты напряжения на его зажимах.
Решение
постав-
ленной задачи поиска
информационного сигна-
ла о возникновении ава-
рийного состояния в ка-
беле питания асинхрон-
ного двигателя может
быть выполнено на осно-
вании
использования
функции "реле частоты".
На рис. 4 .9 приведены
диаграммы напряжений
соответствующего устройства выявления факта уменьшения частоты
входного сигнала U1. Принцип его работы состоит в сравнении ам-
Рисунок 4.9 – Диаграмма параметров устройст-
ва выявления уменьшения частоты импульсов
U1
U2
U3,U4
U5
U3
U4
t,c
t,c
t,c
t,c
f=50Гц
f=49Гц
168
плитуды пилообразного напряжения U3, сформированного, в течение
полуволны отрицательной полярности входного сигнала с амплиту-
дой пилообразного напряжения, сформированного на интервале су-
ществования периода сигнала U1, уменьшенного в 2 раза (импульсы
U4) [114]. При условии, когда частота входного периодического сиг-
нала уменьшается (момент времени τ1), продолжительность полувол-
ны отрицательной полярности сигнала U1 становится бóльшей поло-
вины его периода, что привóдит к превышению в момент τ2 импуль-
сом U3 величины импульса U4 и формированию соответствующего
сигнала U5.
Однако, работа устройства управления отключением (от сети)
обратного энергетического потока АД при возникновении короткого
замыкания при условии использования функции "реле частоты" будет
сопровождаться некоторой задержкой времени, определяемой про-
должительностью срабатывания средств защиты со стороны питаю-
щей трансформаторной подстанции и дальнейшего отключения на-
пряжения сети. Т .е ., реагирование устройства будет не на факт воз-
никновения аварийного режима, а на состояние свободного выбега
асинхронного двигателя. В этом случае уменьшение частоты на вводе
статора является крайне незначительным и применительно к величи-
нам номинальных скольжений АД 9,33<s<11,33, (что характерно для
большинства двигателей рудничных машин и установок) будет нахо-
диться в диапазоне 49,533<f<49,333 Гц. Реализация способа выявле-
ния перехода АД в режим выбега на основе эффекта "реле частоты"
требует применения высокоточных средств определения частотного
параметра и не исключает вероятности возникновения ошибки в вы-
явлении факта скачкообразного уменьшения частоты напряжения в
сети питания АД, что является неприемлемым. Поэтому практиче-
скую актуальность приобретает задача упрощения технической реа-
лизации подавления (отделения от сети) обратных энергетических
потоков асинхронного двигателя при возникновении повреждения в
кабеле электропитания.
4.3 Принципы определения состояния кабеля питания
асинхронного двигателя автономными техническими
средствами схемы присоединения обмотки статора
Выявление опасного состояния кабеля электропитания АД при
условии применения автономно действующих технических средств
169
защиты в схеме присоединения обмотки статора должно учитывать
определённые особенности устройства шахтного участкового ЭТК:
-
обязательное обеспечение режима изолированной нейтрали
трансформатора в процессе эксплуатации участковой электросети;
-
обязательность заземления заземляющей жилы кабеля и зазем-
ления через неё металлического корпуса электродвигателя потреби-
теля (подключенного к этому кабелю);
-
обязательное применение устройства защиты от утечек тока на
землю в схеме со стороны КТП и недопустимость воздействия на па-
раметры постоянного оперативного тока этого устройства;
-
обязательность применения гибких кабелей с экранированны-
ми силовыми жилами, конструкция которых предусматривает нали-
чие электрического контакта (связи) между экранами силовых жил с
заземляющей жилой.
С учётом этого аварийное (опасное) состояние кабеля (между-
фазные к.з., дугообразование; возникновение цепи утечки тока на
землю) сопровождается наличием цепи повышенной проводимости
между силовой жилой кабеля и контуром "земля" через экран и за-
земленную заземляющую жилу. В этом случае момент возникновения
аварийного состояния кабеля питания АД может бать выявлен путём
кратковременного создания цепи повышенной проводимости между
фазой и землёй как условия формирования управляющего сигнала на
защитное отключение от сети обратного энергетического потока
асинхронного двигателя (в случае возникновения аварийного состоя-
ния сети) [115; 116]. Здесь информационным сигналом о возникнове-
нии одно – или двухфазного к.з. на землю при условии наличия ин-
формационной связи между статорной обмоткой и заземленным кор-
пусом АД потребителя аварийного присоединения может быть ток в
заземляющей жиле кабеля электропитания.
Техническое противоречие между обязательностью гальваниче-
ского отделения цепи статора АД от заземлённого корпуса двигателя
и необходимостью создания упомянутого информационного канала
решается путём использования цепи из соединённых встречно-
последовательно стабилитрона VD1 и диода VD2 с последовательным
подключением токоограничивающего резистора R между цепью ста-
тора АД и его заземлённым корпусом 1 (рис. 4.10) [117; 118]. В этом
случае срабатывание блока защитного отключения (БЗО), например,
как команда на разъединение трёхфазной схемы статора коммутаци-
онным устройством SF, - будет происходить при наличии тока в цепи
170
контура заземления 2. Предложенное техническое решение обеспечи-
вает отключение (от места повреждения кабеля, питающего АД)
энергетического потока со стороны АД одновременно с отключением
напряжения автоматическим выключателем питающей комплектной
трансформаторной подстанции. Такое отключение при условии реак-
ции защиты на повреждение изоляции одной фазы кабеля является
опережающим относительно дальнейшего развития междуфазного
короткого замыкания. Схема присоединения диода VD2 и стабили-
трона VD1 исключает воздействие устройства на работу участкового
аппарата защиты от утечек тока на землю, поскольку препятствует
протеканию постоянного оперативного тока этого аппарата через
землю на статор двигателя. Эта схема присоединения отделяет ста-
тор АД от его заземлённого корпуса, что соответствует принципу
изоляции статора двигателя от элементов заземления сети в рабочем
режиме эксплуатации.
С учётом схемотехники устройства определения технического
состояния кабеля питания АД и защитного отделения от сети обрат-
ного энергетического потока схема (рис. 4.1) корректируется (рис.
4.11). Схема замещения силового присоединения с цепью утечки тока
на землю также примет вид в соответствии с рис. 4 .12 . Совокупность
элементов ЭТК участка, имеющих электрическую связь с аварийной
точкой, представлена в виде трёхфазного симметричного источника
Рисунок 4.10 - Структурная схема устройства двустороннего
обесточивания места к.з. в кабеле электропитания АД:
1 – корпус АД; 2 – заземляющая жила кабеля
АЗ
БЗВ
UA
UB
UC
SF
2
VD1
VD2
R
1
РПНН КТП
SA
Zтр
Zs
БЗО
РУНН КТП
171
напряжения, к которому присоединена модель изоляции кабельной
сети, сопротивление цепи утечки и измерительная цепь устройства
отключения энергетического потока АД. Источником напряжения до
момента отключения сети является участковая КТП, а после этого
момента - ЭДС выбега двигателей потребителей ЭТК (с учётом суще-
ствования уравнительных токов). Применительно к схеме замещения
(рис. 4.12 б) процессы в системе описываются уравнениями:
()
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
+
+
=
=
−
−
−
=
=
∫
∫
3
2
1
2
3
3
1
1
2
2
1
)
(
1
1
1
i
i
i
i
dt
i
R
C
i
i
i
i
R
u
R
i
dt
i
C
R
i
в
д
із
із
ф
в
із
із
(
4
.
1
)
Расчётные диаграммы тока (рис. 4 .13) в измерительной цепи
блока защитного отключения (рис. 4.10) позволяют сделать вывод о
принципиальной возможности создания работоспособного автоном-
но действующего устройства определения состояния кабеля питания
АД, действующего со стороны схемы статора. Анализ диаграмм (рис.
4.14) подтверждает способность функции принудительного отключе-
Рисунок 4.11 - Схема шахтного участкового ЭТК
с учётом измерительной цепи устройства защитного отделения
от сети обратного энергетического потока АД
Rs Lsl
Rr
Lrl
Lm
-eвр
М1
VD1
VD2
R
ПЗ
SF
K
Rв
БЗВ
TV
uф
Zтр SA
РПНН КТП
КМ1
Zгк1.1
Rіз ф 1.1
Сіз ф 1.1
Zгк n
Rізфn
Сізфn
Мn
КМn
ГКn
ГК1
РУНН КТП
Сизфn
Rизфn
Сизф1.1
Rизф1.1
172
ния обратного энергетического потока АД ограничивать количество
электричества в аварийной цепи питающего кабеля.
а)
Рисунок. 4.13 - Диаграммы тока в измерительной цепи устройства
защитного отделения от сети обратного энергетического потока
асинхронного двигателя: а - Rут = 1кОм; б - Rут= 30 кОм;
(отключение сети через 0,1 с)
б)
Рисунок 4.12 - Схема замещения системы (а) и эквивалентная схема
замещения (б) цепи однофазной утечки тока на землю с учётом измеритель-
ной цепи устройства отделения от сети энергетического потока АД
Rіз ф
a)
UA
UB
UC
Rіз ф
Rіз ф
Сіз ф
Сіз ф
Сіз ф
Rв
VD1
VD2
Rд
uф
Rв
Rд1
Rіз
Сіз
iв
i1
i2
i31
б)
Rдn
i3n
Rизф
Rизф
Rизф
Rизф
Cизф
Cизф
Cизф
Cизф
Rут
Rут
iут
173
Рисунок 4.14 – Диаграммы, характеризующие ток утечки на землю и коли-
чество электричества через сопротивление утечки тока на землю а) при от-
сутствии устранения обратных ЭДС АД; б) при устранении обратных ЭДС
всех АД участка; устройство компенсации ёмкостной составляющей тока
утечки на землю отсутствует в) при наличии принудительного отделения от
сети энергетических потоков АД всех потребителей через 0,06 с.
Параметры силовых присоединений:
потребитель No 1 – АД типа ЭКВК4-220; кабель КГЭШ 3х70; l = 250 м;
потребитель No 2 – АД типа ЭДКОФВ315М4; кабель КГЭШ 3х50; l = 200 м;
потребитель No 3 – АД типа АИУМ225М4; кабель КГЭШ 3х35; l = 50 м
в)
Напряжение сети 1140 В
а)
б)
Напряжение сети 660 В
Напряжение сети 660 В
174
Однако, предложенное техническое решение является исключи-
тельно концептуальным, поскольку подключение дополнительных
измерительных цепей проводимости к общей точке статоров двигате-
лей участка создаёт условия для потенциального увеличения тока
утечки и накопления количества электричества через сопротивление
утечки Rут. Кроме этого, предложенная схема работоспособна ис-
ключительно в случае соединения обмоток статора в "звезду". С це-
лью устранения этого функционального ограничения устройство для
автономного выявления повреждения кабеля питания асинхронного
двигателя и отделения от сети его обратного энергетического потока
может быть усовершенствовано созданием искусственной "звезды"
резисторов одинакового сопротивления, подключенных ко входу ста-
тора АД с дальнейшим присоединением полупроводниковой цепи с
измерительным устройством между общей точкой этой "звезды" и
заземлённым корпусом асинхронного двигателя (рис. 4 .15) [118].
В этом случае присоединение силовых контактов дополнитель-
ного коммутационного аппарата SF непосредственно со стороны си-
лового ввода статора создаёт возможность не только выполнить
функцию отделения от сети обратных энергетических потоков АД не-
БЗВ
1
3
SF
R1
R3
R2
VD1
VD2
Zs
Статор АД
2
АЗ
UA
UB
UC
РПНН КТП
SA
Zтр
Рисунок 4.15 – Структурная схема устройства отделения от сети обрат-
ного энергетического потока асинхронного двигателя в составе ЭТК
шахтного участка: 1 – корпус АД; 2 – заземляющая жила кабеля;
3 – цепь повышенной проводимости между фазой кабеля и землёй
(как признак аварийного состояния сети) [118]
РУНН КТП
БЗО
175
зависимо от конфигурации трёхфазной схемы его статора, но и огра-
ничить продолжительность подключения "звезды" дополнительных
резисторов R1-R3 защитного устройства между фазами сети и землёй
промежутком времени Δt между возникновением повреждения в ка-
беле питания и отсоединением статора двигателя от сети вследствие
срабатывания коммутационного аппарата SF.
Однако, состояние проводимости измерительной цепи с допол-
нительными резисторами R1 – R3 будет создавать в течение интерва-
ла времени Δt увеличение тока в цепи с Rут, а учитывая, что на одно-
фазную утечку тока на землю будут реагировать устройства отделе-
ния от сети обратного энергетического потока каждого из n двигате-
лей участка, следует принять во внимание, что обобщённая проводи-
мость цепи, созданной параллельным присоединением резисторов R1
–
R3 всех n защитных устройств будет увеличена в n раз (рис.4.16).
Поскольку параметры надёжности любого технического средства не
Рисунок 4.16 – Диаграммы, характеризующие ток утечки iут и количество
электричества q через сопротивление утечки в ЭТК при наличии устройств
отделения от сети обратного энергетического потока АД в каждом присое-
динении: а - напряжение 660 В; б - напряжение 1140 В; устройство
компенсации ёмкостной составляющей тока утечки отсутствует
iут, А
iут, А
176
являются бесконечными, следует предусмотреть, что в случае отказа
исполнительного коммутационного аппарата SF хотя бы одного си-
лового присоединения, проводящее состояние соответствующей цепи
определения оперативного параметра (с резисторами R1-R3) будет
сохраняться в течение всего времени существования обратного энер-
гетического потока асинхронного двигателя после защитного отклю-
чения сети со стороны КТП.
Эти обстоятельства обусловливают целесообразность примене-
ния резисторов R1-R3 с увеличенными значениями сопротивлений.
Однако повышение сопротивления каждого из них даже до 100 кОм
обусловит величину тока через измерительную цепь на уровне, кото-
рый незначительно превышает 3,88 мА (в сети 660 В при Rут=1 кОм),
что уже не согласуется с величинами минимальных токов стабилиза-
ции известных типов стабилитронов. Итак, следует учитывать веро-
ятность несрабатывания устройства отделения от сети обратного
энергетического потока асинхронного двигателя. Решением этого
технического противоречия может быть изменение конфигурации
схемы узла определения оперативного параметра (УОП) в соответст-
вии с рис. 4 .17а, где участок из конденсаторов С1-С2 и диода VD1:
поддерживает режим изолированной нейтрали сети при отсутствии
однофазной утечки тока на землю, препятствует протеканию посто-
янного тока, включая оперативный ток аппарата защиты от утечек
тока на землю (т.е ., не влияет на его защитные параметры); в момент
t1 возникновения однофазной утечки на землю (через сопротивление
Rут) формирует импульс напряжения U1 ограниченной продолжи-
тельности на резисторе R4, достаточный для приведения в действие
реагирующего органа устройства отделения от сети обратного энер-
гетического потока асинхронного двигателя (рис. 4 .17,б) [119-121].
Возврат схемы к первоначальному состоянию производится
шунтированием конденсатора С1 резистором R5. Несмотря на огра-
ниченность продолжительности проводящего состояния УОП, воз-
действие средств защитного отделения от сети ЭДС вращения АД на
величину количества электричества в цепи повышенной проводимо-
сти Rут требует выполнения исследований (с учётом типовой ком-
плектации шахтного добычного участка, параметров соответствую-
щих типов АД, кабелей, длины и сечения которых согласованы с раз-
мещением и мощностями потребителей). Относительно реализации
функции защиты от утечек тока на землю должны быть рассмотрены
177
Z
И
З
1
С
1
R
1
R
2
R
3
6
0
–
4
0
–
2
0
–
U
1
,
В
t
Z
Т
Р
Z
М
К
~
~
~
~
~
~
Р
и
с
у
н
о
к
4
.
1
7
–
С
х
е
м
а
п
о
д
к
л
ю
ч
е
н
и
я
у
с
т
р
о
й
с
т
в
а
о
т
д
е
л
е
н
и
я
о
т
с
е
т
и
о
б
р
а
т
н
о
й
Э
Д
С
А
Д
в
с
х
е
м
е
Е
Т
К
ш
а
х
т
н
о
г
о
у
ч
а
с
т
-
к
а
(
а
)
и
о
с
ц
и
л
л
о
г
р
а
м
м
а
н
а
п
р
я
ж
е
н
и
я
н
а
R
4
(
б
)
в
м
о
м
е
н
т
п
о
я
в
л
е
н
и
я
у
т
е
ч
к
и
R
у
т
=
1
к
О
м
(
н
а
п
р
я
ж
е
н
и
е
6
6
0
В
)
R
у
т
Z
И
З
3
Z
И
З
2
Z
Г
К
1
Z
Г
К
2
Z
А
Д
е
в
р
R
4
R
5
С
2
V
D
1
u
ф
А
З
К
Т
П
Z
Т
Р
;
Z
М
К
;
Z
Г
К
;
Z
А
Д
R
L
R
И
З
С
И
З
Z
И
З
S
F
1
.
4
S
F
1
.
1
-
S
F
1
.
3
S
A
1
K
1
S
A
2
K
M
1
K
1
б
)
а
)
178
свойства соответствующих исполнительных устройств в зависимости
от типа применяемого аппарата защитного отключения.
При условии применения короткозамыкателей повреждённой
фазы (БКЗ в АЗ типов РУ-1140 и АЗУР-4) учитывается продолжи-
тельность обесточивания цепи Rут утечки тока на землю на интервале
времени замкнутого состояния соответствующего контакта коротко-
замыкателя БКЗ от момента t2’’ его срабатывания по команде БЗО
(спустя 0,17 с [18]) до момента t2’ разъединения силовой контактной
группы группового автоматического выключателя SA2 распредели-
тельного пункта участка; или контактора КМ1 пускателя аварийного
присоединения (в случае, если его срабатывание будет опережающим
относительно отключения силовой контактной группы SA2).
Опасность увеличения тока через сопротивление утечки при на-
личии функции шунтирования цепи утечки тока на землю не является
критичной, поскольку некоторое увеличение тока в этой цепи и коли-
чества электричества, обусловленных проводимостями дополнитель-
ных активных сопротивлений, будет иметь место до момента вклю-
чения контакта короткозамыкателя (0,17 с). Это подтверждается ис-
следованиями расчётной схемы, в которой скорректированная схема
замещения цепи однофазной утечки на землю учитывает схему узла
определения оперативного параметра и устройство компенсации ём-
костной составляющей тока утечки (рис. 4 .18) [121]. В соответствии
с приведенной эквивалентной схемой замещения (рис. 4 .18, б) урав-
нения, описывающие процессы в системе, представлены зависимо-
стями (4.2).
Рисунок 4.18 - Схема замещения системы (а) и эквивалентная схема
замещения (б) цепи однофазной утечки тока сна землю с учётом цепи
определения оперативного параметра (ЦОП) и устройства компенса-
ции ёмкостной составляющей тока утечки
Rіз ф
a)
UA
UB
UC
Rіз ф
Rіз ф
Сіз ф
Сіз ф
Сіз ф
Rв
VD1
R1
uф
Rв
Rд1
Rіз
Сіз
iв
i1
i2
i41
б)
Rдn
i4n
Сд1
Сдn
Lдр
i3
R2
R3
Сд
Rут Rиз Сиз
Rизф
Rут
Сизф
Сизф
Сизф
Rизф
Rизф
iут
179
Алгоритм моделирования предусматривает: последовательный
пуск всех двигателей (в сети) с выходом каждого АД на устойчивую
характеристику (механическая нагрузка принимается на уровне 10%);
возникновение утечки тока на землю в первом силовом присоедине-
нии в момент времени t1; отключение АВ по команде АЗ в момент
времени t2 (рис. 4 .19).
Анализ диаграмм тока утечки на землю iут и накопления коли-
чества электричества q через сопротивление цепи утечки в ЭТК уча-
стка шахты при наличии устройств отделения обратного энергетиче-
ского потока АД в каждом присоединении свидетельствует о воз-
можности поддержания уровня количества электричества через чело-
века в электросети 660 В и 1140 В пределах нормируемой величины в
соответствии с требованиями электробезопасности (рис. 4 .19 и 4.20).
Рисунок 4.19 - Диаграммы тока утечки iут и количество электричества
q через сопротивление утечки в ЭТК напряжением 660 В при наличии
автокомпенсации ёмкостной составляющей тока утечки (АРУЗ-1):
а - без учёта ЦОП в каждом присоединении; б - с учётом ЦОП в каж-
дом присоединении
iут ,А
iут ,А
180
()
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
+
+
+
=
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛−
=
=
=
−
−
−
−
=
=
∫
∫
∫
∫
4
3
2
1
4
4
2
3
4
3
1
1
2
2
1
1
1
1
1
1
i
i
i
i
i
dt
i
С
i
L
R
i
dt
i
С
L
i
dt
i
i
i
i
i
i
R
u
R
i
dt
i
C
R
i
в
из
п
др
д
из
др
п
п
из
ф
ут
из
из
(
4
.
2
)
Рисунок 4.20 – Диаграммы тока утечки iут и количество электричества
q через сопротивление утечки в ЭТК напряжением 1140 В при наличии
статической компенсации ёмкостной составляющей тока утечки и
функции выявления и замыкания повреждённой фазы на землю
(РУ-1140): а - без учёта наличия ЦОП в каждом присоединении;
б - с учётом ЦОП в каждом присоединении
iут, А
iут, А
181
4.4 Воздействие коммутационного переходного процесса на
параметры срабатывания устройства защитного обесточива-
ния участковой электросети
Представленная на рис. 4.17 схема автономного устройства оп-
ределения состояния кабеля электропитания АД на основе ёмкостно-
полупроводниковой цепи между вводами статора и контуром "земля"
позволяет выявлять состояние повышенной проводимости цепи "фа-
за-земля". Исследованием (п.4.3) подтверждена работоспособность
этой схемы и отсутствие ложных срабатываний при условии одно-
временной коммутации силового присоединения. С учётом промыш-
ленного применения целесообразно установление характера реакции
этой схемы на возможные отклонения в одновременности пофазной
коммутации силового присоединения, что является характерным для
работы контактора. Кроме этого, практический интерес представляет
вопрос распространения защитной функции на состояние неполно-
фазного электропитания АД потребителя.
К1К2К3
А0
А1
А2
А3
А4
А5
А6
Uф Rтр
Lтр
Rгк
Lгк
Rгк
Lгк
Rіз
Rіз
Сіз
Сіз
R1-R3
R4
R5-R7
R8
С1
С2
С3
С4
VD1
VD2
U12
U34
1
2
34
Rs
Ls
Rs
Ls
Рисунок 4.21 – Расчётная схема исследования влияния неодновременной
и неполнофазной коммутации силового присоединения на формирование
команды на защитное отделение от сети обратных энергетических потоков
Rиз
Rиз
Сиз
Сиз
182
Решение этой задачи может бать выполнено на основе расчёт-
ной схемы объекта исследования (рис. 4.21)̧ содержащей источник
трёхфазного напряжения (Uф=660 В) с параметрами комплектной
трансформаторной подстанции КТПВ-1000 (блок А0) и два потреби-
теля – АД с обобщёнными активно-индуктивными сопротивлениями,
соответствующими
параметрам
электрических
машин
типа
2ЭДКОФВ250М4 (блок А3) и ЭДКОФВ315LB4 (блок А4). [122].
Комплексные сопротивления силовых присоединений соответствуют
параметрам кабелей марки КГЭШ 3х50 (мм
2
) и длиной 200 м. Этим
же параметрам соответствуют ёмкостные проводимости изоляции,
представленные на схеме конденсаторами Сиз (блоки А1, А2). Актив-
ные сопротивления изоляции Rиз каждого кабеля должны находиться
в нормируемых пределах и в условиях исследования могут составлять
100 кОм/фазу для каждого кабеля. Устройства выявления аварийного
состояния кабеля со стороны присоединений статора АД представле-
ны блоками А5 и А6 с параметрами R1=R2=R3=30 кОм (R5=R6=R7=
=30 кОм); C1=С3=10 мкФ; С2=С4=10 мкФ. Оперативный параметр
формируется на резисторах R4=R8=5 кОм и определяется напряже-
ниями U12 и U34.
Исследование выполняется при допущении, что имеет место
коммутация (включение) и последующее отключение АД М2 при ус-
ловии, что двигатель первого присоединения подключен к сети, и его
ротор вращается; контакты К1-К2 коммутационного аппарата вклю-
чаются и отключаются одновременно, а контакт К3 включается с за-
держкой t1, а отключается: с опережением t2; с отставанием t3 относи-
тельно срабатывания контактов К1-К2.
Дополнительным исследовательским материалом являются ам-
плитуды оперативных параметров U12 и U34 при одновременной ком-
мутации контактов К1-К2 включение – отключение и отсутствии
коммутационной функции контакта К3. Результаты исследования
представлены осциллограммой параметров U12 и U34 (как пример оп-
ределения функции воздействия при неодновременной пофазной
коммутации присоединения) и обобщены в виде диаграмм амплитуд
указанных параметров (рис. 4 .22) в зависимости от факторов воздей-
ствия (t1, t2, t3). Анализ диаграмм позволяет сделать выводы относи-
тельно допустимого временнóго диапазона неодновременности ком-
мутации по критерию обеспечения устойчивости против ложных сра-
батываний устройства защитного отделения от электросети обратного
энергетического потока АД.
183
а)
б)
в)
Рисунок 4.22 - Величины оперативного параметра при включении
контакта К3 с задержкой t1 (а); при отключении контакта К3
с опережением t2 (б), с задержкой t3 (в)
184
В сравнении с аварийным состоянием силового присоединения
(возникновения однофазной утечки тока на землю сопротивлением 1
кОм) величины оперативного параметра характеризуются напряже-
нием U12=U34=60 В (рис. 4.23) в отличие от величины напряжения при
неодновременной коммутации U12=U34=6÷20 В (рис. 4 .23). Кроме
этого, диаграммы (рис. 4.24) подтверждают способность узлов А5-А6
реагировать на неполнофазное электропитание асинхронного двига-
теля, что является важной дополнительной (по отношению к основ-
ной, рассматриваемой) защитной функцией.
Рисунок 4.24 – Величины оперативных параметров U12 (а) и U34 (б)
при неполнофазном электропитании АД
Рисунок 4.23 - Величина
оперативного параметра
при возникновении
однофазной утечки тока
на землю Rут=1 кОм
185
4.5 Сопоставление технических свойств средств подавления
воздействия обратных ЭДС асинхронных двигателей
Отделение от сети обратного энергетического потока АД в слу-
чае повреждения его питающего кабеля должно выполняться с мак-
симально возможным быстродействием. Поэтому возникает необхо-
димость решения задачи поиска информационного сигнала, который
обеспечивал бы автономное выполнение этой функции силовыми
коммутирующими устройствами со стороны самого асинхронного
двигателя аварийного присоединения. Отсутствие "привязки" к факту
срабатывания защитных устройств со стороны питающей трансфор-
маторной подстанции позволит выполнить двустороннее обесточива-
ние участковой электросети путём одновременного срабатывания за-
щитных устройств как со стороны трансформаторной подстанции,
так и со стороны асинхронных двигателей потребителей. Кроме это-
го, отделение от сети обратного энергетического потока асинхронно-
го двигателя должно быть осуществлено и в случае возникновения
аварийного состояния питающего кабеля после отключения напряже-
ния сети в случае, если двигатель находится в состоянии выбега.
Отделение от сети обратного энергетического потока АД может
быть осуществлено закорачиванием или размыканием трёхфазной
схемы его статорной обмотки [123, 124]. Однако, первый способ име-
ет ряд недостатков, что усложняет его применение.
Во-первых, закорачивание статора АД может быть осуществле-
но только после отключения напряжения питания со стороны питаю-
щей трансформаторной подстанции. Это ведёт к увеличению про-
должительности аварийного состояния и требует наличия информа-
ционной связи между автоматическим выключателем участка и уст-
ройством управления отделением от сети обратного энергетического
потока асинхронного двигателя.
Во-вторых, в момент закорачивания статорной обмотки рабо-
тающего АД (или двигателя, находящегося в состоянии свободного
выбега) будут возникать кратковременные токовые и механические
перегрузки (рис. 4.25).
В-третьих, в случае ложного срабатывания устройства подклю-
чения цепи искусственного короткого замыкания в силовых цепях
участковой сети, находящейся под напряжением, возникнет аварий-
ное состояние. В условиях шахты это недопустимо в виду опасности
пожара или взрыва метано-воздушной смеси.
186
Рисунок 4.26 - Осциллограмма фазного напряжения
(ЭДС вращения) статора АД при разъединении трёхфазной
схемы статора в момент t1 [49]
Uф*100,В
Рисунок 4.25 – Расчётные диаграммы тока I, частоты вращения ротора n
и электромагнитного момента М двигателя мощностью 160 кВт (в сети
напряжения 660 В) в момент закорачивания статорной обмотки
n, об/мин
187
Поскольку указанных недостатков лишён способ разъединения
трёхфазной схемы статора, либо отключения статора от питающей
сети, предпочтение следует отдать этому способу. Такое отделение
источника обратного энергетического потока от сети может быть
реализовано в момент получения сигнала о наличии аварийного со-
стояния участковой электросети, т.е., одновременно с защитным от-
ключением подстанции, или даже опережая такое отключение (при
условии применения быстродействующих средств определения ин-
формационного сигнала). Параметры быстродействия обесточивания
аварийного присоединения при условии применения этого способа
(рис. 4.26) обусловливаются техническими свойствами силовых ком-
мутационных устройств и могут находиться в приемлемом диапазоне
величин [124].
188
РАЗДЕЛ 5
ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СРЕДСТВ УСОВЕРШЕНСТ-
ВОВАНИЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ШАХТ
ОТ АВАРИЙНЫХ И ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ
5.1 Обоснование принципов ускорения выявления короткого
замыкания средствами максимальной токовой защиты
Увеличение мощностей электрогенерирующих устройств и по-
требителей современных шахтных участковых электросетей обуслов-
ливает целесообразность ускорения их обесточивания в случае воз-
никновения состояний междуфазного короткого замыкания. Кроме
этого, проблематика обеспечения эффективной максимальной токо-
вой защиты усложняется в случае применения полупроводниковых
регуляторов трёхфазного напряжения промышленной частоты, когда
угол отпирания тиристоров может находиться в диапазоне 0<α<π
(рад.) и влиять на величину тока в отходящем силовом присоедине-
нии. Этот вывод вытекает из анализа процессов в расчётной схеме
(рис. 5 .1), где приняты обозначения: e(t) – мгновенное значение фаз-
ных ЭДС КТП; R1 и L1 – сопротивление и индуктивность трансфор-
матора и электрической сети от трансформатора до ТРН; R2 и L2 – со-
противление и индуктивность участка кабеля от ТРН до места к.з.; R3
–
переходное сопротивление замыкания; R4 и L4 – сопротивление и
индуктивность статора АД и участка кабеля от места к.з. до АД; R5 и
L5 – сопротивление и индуктивность ротора АД. Фазные ЭДС враще-
ния двигателя учитываются параметром eв. [125, 126]. В данной схеме
вероятны пять комбинаций состояний тиристоров регулятора напря-
жения (ТРН):
- все тиристоры включены;
- все тиристоры заперты;
-
три комбинации, при которых включены по два тиристора в
разных фазах.
Параметры сопротивлений R3 определяют цепи повышенной
междуфазной проводимости (междуфазного короткого замыкания,
что моделируется замыканием соответствующего ключа К1÷К3. Для
каждого состояния комбинации тиристоров ТРН может быть создан
граф схемы, матрица соединений Π, ЭДС Eвр(t), сопротивлений Rв и
индуктивностей ветвей Lв, из которых находятся матрицы контуров
189
Γ, контурных ЕРС Ek(t), сопротивлений Rk и индуктивностей Lk. ЭДС
вращения АД учитывается вводом в соответствующие ячейки матри-
цы сопротивлений коэффициентов keс и keр (для учёта влияния токов
статора и ротора на процессы в системе):
2
3
2
∗
∗
∗
∗
=
M
f
ke
р
с
π
(5.1)
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
⎛
∗
+
∗
∗
∗
∗
=
3
1
2
3
2
р
р
р
L
M
f
ke
σ
π
(5.2)
где fр – частота вращения ротора, умноженная на число пар полюсов;
Lσр – индуктивность рассеяния ротора; M – взаимная индуктивность
между обмотками статора и ротора одной фазы.
В дальнейшем может быть введена индексация переменных на
основе обобщённой переключающей функции, обусловленная со-
стояниями тиристоров ТРН:
c
b
a
fr
fr
fr
sc
∗
+
∗
+
=
4
2
, гдеfra,frbиfrc
Рисунок 5.1 – Расчётная схема системы «ТРН-АД» при исследовании
междуфазного короткого замыкания:
а – упрощённая схема электропитания асинхронного двигателя в состоянии
параметрического регулирования; б - схема замещения силового
присоединения с АД в состоянии короткого замыкания
АД
IКЗ
(3)
lk1
lk2
а)
A
B
C
F
E
O
e(t)
R2 L2
R4 L4
L5 R5
евр
ТРН
D
б)
КТП
ТРН
L1 R1
R3
190
–
соответственно, переключающие функции тиристоров фазы A, B и
C, равные "1" если тиристор включен и "0" – если тиристор заперт.
Состояние каждого тиристора ТРН определяется уравнением [125;
126]:
fu
ot
fi
fr
∗
+
=
.
В последнем выражении функции сложения и умножения явля-
ются логическими. ot – функция отпирання тиристора (равна "1", ко-
ли если подаётся отпирающий импульс и "0" – если такого импульса
нет, fi и fu – функции изменения, соответственно, тока, проходящего
через тиристор и напряжения на тиристоре (равны"1", если ток и на-
пряжение превышают "0". В ином случае эти функции равны нулю. С
целью уменьшения размерностей матриц в дифференциальном урав-
нении системы целесообразно расчёт вести методом контурных то-
ков:
)(
)(
)(
t
Ek
dt
t
dIk
Lk
t
Ik
Rk
=
∗
+
∗
(5.3)
Учитывая неопределённость моментов коммутации тиристоров
в динамическом режиме работы системы "ТРН-АД", целесообразно
применение матрично-аналитического метода определения перемен-
ных состояния при расчёте матричных экспоненциалов, который со-
стоит в том, что на интервалах между коммутациями тиристоров ТРН
решение дифференциального уравнения (5.5) находится как сумма
установившейся и переходной составляющих:
Ik(t) = Ikу(t) + Ikпр (t)
(5.4)
Установившиеся значения контурных токов Ikу и узловых на-
пряжений Uuу определяются вычислением этих значений символиче-
ским методом с последующим переходом к комплексной форме отно-
сительно определения их зависимости от времени для каждого со-
стояния тиристоров ТРН. Переходная составляющая определяется
путём решения уравнения системы при ЭДС, которые равны нулю:
0
)(
)(
=
∗
+
∗
dt
t
dIk
Lk
t
Ik
Rk
(5.5)
После решения уравнения (5.7) имеем:
Ikпр(t) = Ikпр.0∗ exp(-Lk-1
∗Rk∗(t-tк)),
(5.6)
Ikпр.0 = Ik0 - Ikу(tк),
(5.7)
где Ikпр(t) – зависимость переходной составляющей контурных токов
от времени; tк – момент последней коммутации тиристоров ТРН; Ikпр.0
–
вектор значений переходной составляющей контурных токов в мо-
мент tк.; Ik0 – вектор значений контурных токов переходного процесса
191
в момент последней коммутации тиристоров ТРН; Ikу(tк) - вектор зна-
чений установившейся составляющей контурных токов в момент по-
следней коммутации тиристоров ТРН.
Рассмотренный принцип позволяет получать значения контур-
ных токов в любой момент времени между коммутациями тиристоров
(с учётом проверки после каждого шага расчёта). Обобщением этой
методики является алгоритм расчёта (рис. 5.2). На рис. 5 .3 представ-
лены результаты определения параметров процессов в объекте иссле-
дования для таких условий: короткое замыкание является двухфаз-
ным (между фазами "В" и "С") через переходное сопротивление 0,045
Ом у зажимов асинхронного двигателя 2ЭДКОФ 250LB4, работаю-
щего с номинальной угловой скоростью вращения ротора при вели-
чине фазового угла отпирания тиристоров α=95°; электропитание - от
участковой трансформаторной подстанции КТПВ 630-6/0,69 мощно-
стью 630 кВА через магистральный кабель ЭВТ 3×120+1×10 длиной
50 м и кабель потребителя КГЭШ-3×50+1×10 длиной 200 м.
Анализ полученных результатов свидетельствует о существен-
ном отличии параметров тока короткого замыкания на выходе ТРН от
тока аналогичного аварийного процесса в сети при отсутствии полу-
проводникового регулятора напряжения. Отсюда следует, что для по-
добных присоединений более приемлемо применение максимальной
токовой защиты, уставка которой динамично корректируется в функ-
ции углов отпирания (α) тиристоров ТРН.
Амплитудно-фазовые параметры тока могут быть использованы
как информационный параметр перспективного быстродействующего
устройства максимальной токовой защиты в сетях с контакторной
коммутацией силовых присоединений. Исследование особенностей
изменения упомянутых информационных параметров, выполняется с
учётом допущений, что в исходном состоянии в электросети действу-
ет трёхфазная система номинальных напряжений промышленной час-
тоты; АД потребителя нагружен номинальным моментом сопротив-
ления; короткое замыкание в гибком кабеле – трёхфазное, симмет-
ричное. Практический интерес представляет определение величин
фазового угла φ между током и напряжением соответствующей фазы
и скорости увеличения тока в процессе при варьировании длины гиб-
кого кабеля до точки замыкания с учётом величины сопротивления
вторичной обмотки трансформатора питающей КТП.
192
Рисунок 5.2 – Алгоритм расчёта электрических параметров объекта
k=1...n
1
вычисление
Ikпр(tk, sc),
Uuпр(tk, sc)
11
определен.
Ikу(tk, sc),
Uuу(tk, sc)
12
вычисление
Ik(tk, sc),
Uu(tk, sc)
13
вычисление
ot, fi, fr, sc
14
sck= sck-1
15
уточнение
момента
коммутации
1
вычисление
Ikпр.0(sc)
17
запись k-
го шага
расчёта
1
Вывод
резуль-
татов
1
конец
2
начало
1
ввод Π,
Rв, Lв,
Eв(t)
2
ввод
α,h
3
ввод
Ik0
4
Вычисл.
Γ, Rk, Lk
5
Нахожде-
ниеIkу(t),
Uuу(t)
6
Вычисл
fi, fr, Uu
7
Вычисл.
Ikпр.0
8
запись 0-
го шага
расчёта
9
Ні
193
Имеется в виду: КТП конкретной мощности и гибкий кабель
марки КГЭШ соответствующего сечения при величине номинального
линейного действующего напряжения сети 660 В и 1140 В. Результа-
ты моделирования (рис. 5 .4 и 5.5) дают реальное представление о ха-
рактере изменения тока к.з. в сети участка и позволяют сделать вывод
о приемлемости использования di/dt в качестве информационного па-
раметра о начале короткого замыкания (в конкретном диапазоне ве-
личин di/dt) при условии: φmin < φ < φmax [127].
На рис. 5 .6 представлены диаграммы изменения скорости уве-
личения тока (А/с), что соответствует фазовому углу φ при варьиро-
вании длины гибкого кабеля до точки замыкания с учётом примене-
ния кабелей разных сечений. С уменьшением длины гибкого кабеля
до точки к.з. соответственно, уменьшаются токоограничивающие
свойства сети, что ведёт к увеличению параметра di/dt, сопровождае-
0.96
0.97
0.98
0.99
1
2000
1000
0
1000
2000
0.96
0.97
0.98
0.99
1
600
300
0
300
600
iA
iB
iC
uA
uB
uC
i,А
u,В
t,с
t,с
Рисунок 5.3 – Диаграммы токов и напряжений на выходе ТРН
в состоянии двухфазного к.з. в его силовом присоединении
194
мого увеличением фазового угла φ. Последнее поясняется значитель-
ным уменьшением соотношения "активное сопротивление / индук-
тивность" короткозамкнутого участка по мере приближения точки
к.з. к зажимам трансформаторной подстанции электропитания.
Короткое замыкание в сети может быть выявлено на основе оп-
ределения параметров di/dt и φ, а также, их соотношения, что поясня-
ется рис. 5 .7 и 5.8. Так, выявление малой величины угла φ может
быть выполнено в результате сопоставления временнóго интервала
полуволны напряжения (U4), пропорционального фазному току и
временнóго интервала существования импульса (U3) ограниченной
продолжительности, сформированного в момент начала полуволны
а)
б)
Рисунок 5.4 – Диаграммы зависимости угла φ от длины гибкого кабеля
при напряжении сети 1140 В: а - КТПВ-1000-6/1,2; б - КТПВ-630-6/1,2;
(1 - КГЭШ 3×70, 2 - КГЭШ 3×50, 3 - КГЭШ 3×35)
а)
б)
Рисунок 5.5 – Диаграммы зависимости угла φ от длины гибкого кабеля
при напряжении сети 660 В: а - КТПВ-1000-6/0,69, б - КТПВ-630-6/0,69,
(1 - КГЭШ 3×70, 2 - КГЭШ 3×50, 3 - КГЭШ 3×35)
195
Рисунок 5.7 – Диаграмма параметров
устройства выявления малого угла φ
между напряжением и током фазы сети
напряжения той же фазы и полярности. Совпадение во времени им-
пульсов U4 и U3 (импульс U5) свидетельствует о том, что имеется
ненормально малая величина фазового угла φ и может рассматри-
ваться как условие измерения параметра di/dt на фиксированном ин-
тервале времени (импульс U6, сформированный передним фронтом
импульса U5). Большая величина di/dt на интервале импульса U6,
совпадающего с малой величиной фазового угла φ, является косвен-
ным свидетельством начала короткого замыкания.
Определение величины
параметра di/dt может быть
выполнено на основе контроля
временнóго промежутка про-
хождения напряжением, про-
порциональным фазному току
(мгновенное значение) защи-
щаемой сети двух фиксиро-
ванных уровней Uоп1 и Uоп2
(рис. 5.8) [127-129]. Увеличен-
ная интенсивность роста тока
соответствует совпадению во
времени интервалов сущест-
вования импульса U9 (превы-
шения напряжением U7, про-
порциональным току сети,
предельного значения Uоп2) и
а)
б)
Рисунок 5.6 – Диаграммы скорости увеличения тока к.з., соответствующего
величине угла φ: а - подстанция участка КТПВ-1000-6/1,2;
б - подстанция участка КТПВ-1000-6/0,69
196
импульса U11 ограниченной продолжительности, сформированного в
момент, когда напряжение U7 равняется напряжению Uоп1. Этот спо-
соб не требует выдержки времени на измерение амплитуды, либо
действующего значения тока сети и поэтому является принципиально
пригодным для выявления процесса короткого замыкания участковой
сети на начальной стадии.
а
б
Рисунок 5.8 – Диаграммы параметров устройства определения интенсивности
увеличения мгновенного значения синусоидального параметра сети
Высоким быстродействием выявления процесса роста тока в
трёхфазной сети отличается способ, основанный на контроле смеще-
ния точки равенства мгновенных значений токов двух смежных фаз
(рис. 5 .9) [128]. Способ позволяет выявлять как процесс увеличения
тока, так и переходный процесс возникновения короткого замыкания,
когда ток сети (со стороны КТП) определяется суммой периодиче-
ской и апериодической составляющих (рис. 5 .9, б). При этом инфор-
мационный сигнал (U1) может быть сформирован ранее достижения
током своей амплитуды.
197
5.2 Двустороннее обесточивание сети при возникновении
междуфазного дугообразования в кабеле питания
асинхронного двигателя
Специфическим аварийным состоянием силового электрообору-
дования является междуфазное дугообразование вследствие повреж-
дения междуфазной изоляции. Это состояние не типично при экс-
плуатации горношахтного электрооборудования, однако, оно являет-
ся вероятным и представляет собой опасность по фактору создания
условий возникновения пожара или взрыва метано-воздушной смеси
в атмосфере шахты. В дальнейшем, по мере распространения дугооб-
разования, оно превращается в междуфазное короткое замыкание.
Однако само междуфазное дугообразование (дуговое замыкание) не
может быть выявлено существующими средствами максимальной то-
Рисунок 5.9 – Диаграммы электрических параметров устройства выявления
смещения момента совпадения мгновенных значений токов смежных фаз
трёхфазной электросети: а – токовая перегрузка сети; б – трёхфазное корот-
кое замыкание (трёхфазная система токов со стороны з питающей транс-
форматорной подстанции)
а
б
t
t
t
t
U1
U1
Uоп
Uоп
Im1
Im2
t1t2t3
0
0
0
198
ковой защиты, поскольку сопротивление электрической дуги не рав-
но нулю, а является соразмерным с сопротивлением силовой нагруз-
ки кабельного присоединения (например, сопротивлением статора
асинхронного двигателя).
Построение устройства автоматической защиты от междуфазно-
го дугообразования основано на управлении уставкой токовой защи-
ты АД потребителя на этапе его пуска (рис. 5 .10) [110]. В начале пус-
ка асинхронного двигателя блок задания уставки (БУ) формирует ус-
тавку тока, превышающую величину пускового тока двигателя. Вы-
ходной параметр датчика скорости (ДС) сравнивается в блоке срав-
нения (БС1) с опорным напряжением, поступающим с выхода блока
задания уровня (БЗУ1), равным выходному напряжению ДС при дос-
тижении двигателем близкой к номинальной угловой скорости рото-
ра. В случае Uс>U1, на выходе БС1 формируется команда U3 на
уменьшение уставки токовой защиты, поступающая через элемент
ИЛИ (D1) на вход БУ. Уставка защиты уменьшается до величины,
несколько (на 20-50 %) большей, чем номинальный ток асинхронного
двигателя, что даёт возможность реагировать на токовую перегрузку,
соразмерную по величине с номинальным током потребителя.
Рисунок 5.10 – Структурная схема устройства защиты от дуговых
замыканий в сети питания АД и его несостоявшихся пусков
U1
U2
U3
U4
Uинт
Uс
ДТ
БЗУ
1
БЗУ
2
DA
1
БУ
1
D1
БС3
БС2
БС1
199
Устройство выполняет защиту и от несостоявшегося пуска. В
этом случае выходное напряжение датчика скорости поступает на
вход интегратора и запрещает его работу, если ротор двигателя вра-
щается. В противном случае (неподвижный ротор) интегратор DA1
увеличивает напряжение на своём выходе, которое сравнивается с
выходным напряжением второго блока задания уровня (БЗУ2). В слу-
чае Uинт>U2 на выходе блока сравнения БС2 формируется команда U4
на уменьшение уставки токовой защиты, которая поступает через
элемент ИЛИ (D1) на вход БЗУ. В этом случае уставка защиты изме-
няется до меньшего уровня ранее, чем окончание продолжительности
пуска двигателя. Поскольку уменьшенная уставка становится мень-
шей пускового тока АД, произойдёт защитное отключение коммута-
ционного аппарата.
Процесс междуфазного дугообразования в кабеле питания асин-
хронного двигателя может быть выявлен и техническими средствами
Рисунок 5.11 - Структурная схема устройства отделения от сети обратно-
го энергетического потока АД в ЭТК участка шахты при возникновении
междуфазного дугообразования в кабеле электропитания
ИКА
РУНН КТП
Rд
SA1
Заземляющий болт
на корпусе АД
200
со стороны его статора путём определения разности величин линей-
ных токов в трёхфазной схеме статора с последующим разъединени-
ем этой трёхфазной схемы и присоединением обмотки одной из фаз
статора двигателя к его заземлённому корпусу через резистор актив-
ного сопротивления. При условии применения аппарата защиты от
утечек тока на землю (АЗУР) этим обеспечивается быстродействую-
щее двустороннее обесточивание аварийного места силового присое-
динения в участковом электротехническом комплексе шахты (одно-
временно с защитным отключением ЭТК от КТП) [130]. Устройство
защиты (рис. 5 .11) предполагает в своём составе аппарат трёхполюс-
ной коммутации (контактор КМ1) трёхфазной схемы статора ZSA; ZSB;
ZSC АД потребителя участка.
В цепях линейных токов статора (в "звезде" статорной обмотки
АД) предусмотрены трансформаторы тока, соответственно, ТА1; ТА2;
ТА3, соединённые выходами со входом выпрямителя VC1. Нагрузкой
выпрямителя является цепь из последовательного соединения потен-
циометра R1 и конденсатора С1(резистор R3 большого сопротивле-
ния предназначен для разряда конденсатора С1). Это даёт возмож-
ность выделить на потенциометре R1 переменную составляющую
выпрямленного напряжения (с выхода VC1), пропорционального вто-
ричному току трансформаторов ТА1-ТА3. В нормальном режиме ра-
боты электротехнического комплекса, при отсутствии дугового замы-
кания в сети электропитания асинхронного двигателя все три линей-
ных тока его статора, соединённого в трёхфазную схему размыкаю-
щими контактами контактора КМ1, - одинаковы. Вторичные токи
трансформаторов тока ТА1-ТА3 также не отличаются по величине
один от другого. Будучи поданными на выпрямитель VC1, они соз-
дают на резисторном делителе напряжения (потенциометре R1) пере-
менную составляющую напряжения стабильной величины и формы.
В случае возникновения междуфазного дугового замыкания
(обозначено резистором Rд) в сети электропитания асинхронного дви-
гателя, линейный ток его статора, контролируемый трансформатором
тока ТА2, будет существенно отличаться от других двух линейных
токов статорной обмотки. В связи с этим будет иметь место наличие
импульсов увеличенной амплитуды в переменной составляющей вы-
ходного напряжения на резисторном делителе напряжения R1 актив-
но-ёмкостной нагрузки выпрямителя VC1. Это должно привести к
срабатыванию реагирующего органа (РО) и исполнительного комму-
тационного аппарата ИКА. Замыкающий контакт КМ1.1 этого аппа-
201
рата присоединит статорную обмотку асинхронного двигателя к его
заземленному корпусу (заземляющий болт) через резистор R2, что
является созданием цепи искусственной утечки тока на землю, и в
связи с этим должно произойти срабатывание участкового аппарата
защиты от утечек тока на землю (АЗУР) в распределительном уст-
ройстве низкого напряжения участковой комплектной трансформа-
торной подстанции (РПНН КТП). По команде последнего отключает-
ся автоматический выключатель SА1 КТП. Одновременно с этим ис-
полнительный коммутационный аппарат (ИКА) размыкает свои кон-
такты (трёхфазная система КМ1), чем разрывает трёхфазную схему
соединения статорных обмоток двигателя, делает невозможным элек-
тропитание повреждённого места электросети от обратного энергети-
ческого потока асинхронного двигателя. Этим обеспечивается дву-
стороннее обесточивание места возникновения междуфазного дуго-
образования в сети питания АД шахтного участкового электротехни-
ческого комплекса.
В случае возникновения междуфазного дугового замыкания в
сети после её отключения при условии нахождения асинхронного
двигателя потребителя в состоянии свободного выбега так же будет
иметь место неодинаковость линейных токов, контролируемых
трансформаторами тока ТА1-ТА3. Это вызовет срабатывание реаги-
рующего органа РО и исполнительного коммутационного аппарата,
который отключением контактов трёхфазной контактной группы
КМ1 отделит от сети обратный энергетический поток, действующий
со стороны статора АД и этим обесточит место повреждения в сети
его электропитания.
5.3 Принудительное отключение контактора пускателя как
дополнительное средство повышения безопасности
эксплуатации электрооборудования
Действенной мерой по обеспечению защиты человека от элек-
тропоражения при эксплуатации шахтных участковых электросетей
является объединение функции отключения напряжения питания сети
с командой устройства защиты от утечек тока на землю с функцией
закорачивания на землю повреждённой фазы через активное сопро-
тивление малой величины (аппараты РУ-1140; АЗУР-4; АЗУР-4ПП;
АЗУР-4МК) [12; 13; 18; 61; 62]. Целесообразной дополнительной ме-
рой в этом направлении можно считать поддержание замкнутого со-
202
стояния контакта короткозамыкателя и принудительное поддержание
во включенном состоянии силовых контактных групп всех автомати-
ческих выключателей и пускателей, которые были включены перед
появлением цепи утечки тока на землю на время существования об-
ратных ЭДС АД потребителей (после защитного отключения напря-
жения питания участковой электросети). Однако, схемы силовых
коммутационных устройств, применяемых в составе шахтных участ-
ковых электротехнических комплексов, не предусматривают возмож-
ность принудительного продолжительного поддержания включенно-
го состояния силовых контактных групп. Поэтому защитное действие
короткозамыкателя устройства защиты от утечек тока на землю пре-
кращается уже при отключении группового АВ распределительного
пункта технологического участка (относительно присоединений, от-
ходящих от АВ). Кроме этого, не целесообразно поддержание замк-
нутого состояния силовых контактных групп коммутационных уст-
ройств, если срабатывание защиты от утечек тока на землю стало ре-
акцией на междуфазное короткое замыкание или дугообразование,
сопровождаемое возникновением повышенной проводимости между
повреждённой фазой (фазами) и контуром "земля". Это состояние
требует ускорения обесточивания всех фаз сети.
Исследованиями (раздел 2.4) доказана возможность уменьшения
продолжительности тока в сети (при повреждении силового присое-
динения) при условии применения защитного отделения от сети об-
ратных энергетических потоков каждого из АД потребителей. Одна-
ко, следует учитывать, что отсутствие комплектации таким средством
одного или группы АД приведёт к возникновению обратной ЭДС
двигателя, либо обобщённой ЭДС от группы двигателей, которая
способна сформировать уравнительные токи в сети после её отклю-
чения, поддерживать включенное состояние контакторов пускателей
и ток в аварийном присоединении. Поэтому дополнительной защит-
ной функцией можно считать применение принудительного отклю-
чения контактора пускателя в случае отключения напряжения сети
ЭТК от питающей КТП (рис. 5.12) [131; 132].
203
Эта функция может быть реализована подключением вводного и
отходящего кабеля транзитной магистрали к силовым контактам
(СК) присоединения в сетевом отделении кабельного ввода пускателя
последовательно через блоки датчиков тока (БДТ1 и БДТ2). Компара-
торы - нуль-органы (КНО1 и КНО2) предназначены для формирова-
ния сигналов логической "единицы" в случае наличия тока в кабеле,
контролируемом соответствующим блоком БТД. При отключении пи-
тающей трансформаторной подстанции прекращается ток во вводном
кабеле пускателя, в то время, как в силовой цепи контактора (КМ) и в
отходящем кабеле магистрали будет протекать уравнительный ток,
созданный обратными ЭДС двигателей потребителей. В этом случае
на выходах блоков КНО1 и КНО2 будут сформированы, соответст-
венно, логический "нуль" и логическая "единица". Эти сигналы по-
даются на входы элемента "Исключающее ИЛИ" (D1), обусловлива-
ют формирование логической "единицы" на его выходе и импульса
фиксированной продолжительности на выходе одновибратора (D2),
что является сигналом управления исполнительным устройством
(ИУ) принудительного отключения контактора (КМ) через блок дис-
танционного управления (БДУ).
БДС1
СК
БДС2
КНО1
КНО2
=1
D2
ИУ
БДУ
D1
КМ
АД
Трансформатор
КТП
SA
АЗУР
КМ1
АД1
П1
П2
Пn
Rв
РПНН
КТП
Транзитна
маг і с траль
КМ2
КМn
АД2
АДn
is1
is2
isn
а
б
Рисунок 5.12 - Упрощённые структурные схемы: а - устройства принуди-
тельного отключения пускателя; б - электроснабжения участка шахты
ИУ
БДТ1
БДТ2
Транзитная
магистраль
РУНН
КТП
Rут
204
5.4 Электробезопасность эксплуатации двухскоростного
асинхронного двигателя
Перспективным направлением в области создания шахтных
скребковых конвейеров является применение в качестве приводных -
двухскоростных асинхронных двигателей. Они имеют на одном маг-
нитопроводе две трёхфазные статорные обмотки в каждой – соедине-
ния по схеме "звезда" 1 и 2 (рис. 5.13) с четырьмя и двенадцатью по-
люсами и позволяют получать синхронные угловые скорости ротора,
соответственно, 1500 об/мин. и 500 об/мин. Это существенно способ-
ствует повышению безопасности эксплуатации конвейера: пуск кон-
вейера с кратковременной ступенью уменьшенной (в 3 раза) скорости
тягового органа; вспомогательные операции по доставке оборудова-
ния и материалов в очистной забой на малой скорости.
Однако, отличаясь расширением функциональных возможно-
стей, двухскоростной АД является источником опасности электропо-
ражения человека вследствие существования "трансформаторной"
ЭДС в отключенной обмотке статора. Установлено (рис. 5.14), что
при работе АД (ЭДКВФ-355L12/4) с номинальной угловой скоростью
в обмотке пониженной скорости (ОПС) генерируется трёхфазная
ЭДС, представленная двумя составляющими: высокочастотной – з
частотой f1=1650 Гц и амплитудой Um1≈ 100 В и несущей частотой f2 =
143 Гц и амплитудой Um2 ≈142 В (рис. 5.14, а). При подключении
ОПС к питающей сети в обмотке номинальной скорости (ОНС) гене-
рируется ЭДС с частотой f1=650 Гц (рис. 5.14, б). Эти действующие
значения индуктированных ЭДС в фазах отключенных от сети пита-
ния обмоток статора составляют; в обмотке пониженной скорости
ЕОПС = 145 В; в обмотке номинальной скорости ЕОНС = 33 В. Следова-
тельно, актуально определение уровня опасности электропоражения
человека от "трансформаторной" ЭДС в сети отключенной обмотки
статора двухскоростного асинхронного двигателя (рис. 5.15) [133].
Электрические параметры в присоединении отключенной об-
мотки статора работающего двухскоростного АД могут быть опреде-
лены на основании исследования модели объекта, созданного струк-
турой силового кабельного присоединения с активными сопротивле-
ниями изоляции в пределах значений, реальных для шахтного участ-
кового электротехнического комплекса и ёмкостными сопротивле-
ниями изоляции, соответствующими сечению и длине кабеля, сопро-
тивлением утечки на землю (Rут=1 кОм) и трёхфазным источником
205
электропитания, в каждой фазе которого последовательно включены
источники ЭДС высокой (fв) и несущей (fн) частоты с параметрами,
определёнными из анализа осциллограмм эксперимента. На рис. 5 .16
представлена форма смоделированной фазной ЭДС, индуктирован-
ной в обмотке малой скорости двухскоростного АД типа ЭДКВФ-
355L12/4 [134]. Схема замещения (рис. 5.17) раскрывает структуру
объекта при исследовании состояния цепи однофазной утечки тока на
землю в присоединении отключенной обмотки статора.
а)
б)
Рисунок 5.13 – Схемы обмоток статора двигателя серии ЭДКВФ:
а – обмотка номинальной скорости (количество полюсов 2р = 4);
б – обмотка пониженной скорости (количество полюсов 2р = 12)
Катушечная
группа
Катушечная
группа
Рисунок 5.14 - Осциллограммы вторичных ЭДС АД в обмотках
пониженной (а) и номинальной (б) скоростей асинхронного двигателя
ЭДКВФ-355L12/4
206
На схеме: uв; uн – составляющие фазного напряжения (высокой
и несущей частоты) в цепи утечки (в случае представления всей сис-
темы в виде трёхфазного источника, созданного составляющими на-
пряжения высокой и несущей частоты – UнА, UвА; UнВ, UвВ; UнС,UвС);
Rут – сопротивление цепи утечки; Cиз, Rиз – соответственно, совокуп-
200 В
Рисунок 5.16 – Смоделированная осциллограмма фазной ЭДС
в отключенной обмотке малой скорости АД типа ЭДКВФ-355L12/4
0
fВ=1650Hz
fН=143Hz
Rизф1
Cизф1
Rизф2
Cизф2
Рисунок 5.15 – Формирование утечки тока на землю в присоединении
статора двухскоростного асинхронного двигателя
TV
uф Zтр
SA
КТП
КМ1
Zгк 1
Rізф1
Сізф1
ГК1
Zгк 2
Rізф2
Сізф2
ГК2
КМ2
Rs1
Rs2
Ls1
Ls2
Rr, Lr
АЗУР
207
ная ёмкость и активное сопротивление изоляции трёх фаз сети (Cиз ф,
Rиз ф − соответственно, совокупная ёмкость и активное сопротивление
изоляции фазы кабелей, связанных с местом утечки тока iут на зем-
лю). Для этой схемы выполняются соотношения:
ф
из
из
С
C3
=
;
3
ф
из
из
R
R=
(
5
.
8
)
Применительно к схеме (рис. 5 .17,б) запишем уравнения, описы-
вающие процессы в системе:
()
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎩
⎪⎪
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
+
+
=
=
=
−
−
−
=
=
∫
∫
∫
3
2
1
2
3
3
1
1
2
2
1
1
1
1
i
i
i
i
dt
i
C
L
i
dt
i
i
i
i
i
R
u
R
i
dt
i
C
R
i
в
із
др
п
п
із
ф
в
із
із
(
5
.
9
)
где uф=uнmsinωнt + uвm(sinωвt+φв) – фазное напряжение в цепи утечки
тока на землю; φв – угол смещения составляющей напряжения высо-
кой частоты; uнm, uвm – амплитуды составляющих напряжения несу-
щей и высокой частоты.
Рисунок 5.17 - Схема замещения системы (а) и эквивалентная схема
замещения (б) цепи однофазной утечки тока на землю в присоединении
отключенной обмотки статора работающего двухскоростного АД
Rіз ф
a)
UA
UB
UC
Rіз ф
Rіз ф
Сіз ф
Сіз ф
Сіз ф
Rв
uф
a
UA
UB
UC
uф
Rв
Rіз
Сіз
iв
i1
i2
б)
i3
Lдр
UнА UвА
UнВ UвВ
UнС UвС
Uн
Uв
Rиз ф
Rиз ф
Cиз ф
Rут
iут
Cиз ф
Rут
208
Количество электричества, прошедшего через сопротивление
цепи однофазной утечки тока на землю с момента возникновения
аварийного состояния t́ и до момента исчезновения ЭДС вращения
АД t́́, вычисляется в соответствии с зависимостью:
∫
′′
′
=
t
t
в
dt
t
I
q
)(
(
5
.
1
0
)
где )(t
Iв
−
эффективное значение тока утечки через сопротивление те-
ла человека, изменяющееся в процессе аварийного состояния сети
(касания человеком токоведущих элементов, находящихся под на-
пряжением).
На рис. 5 .18 и 5.19 представлены величины, соответственно, то-
ка и количества электричества в отходящем присоединении обмотки
малой скорости при условии электропитания обмотки номинальной
скорости АД типа ЭКВФ-355L12/4 в зависимости от длины и сечения
кабеля питания, полученные моделированием [135].
Рисунок 5.18 – Диаграммы тока утечки на землю в кабеле
отключенной обмотки пониженной скорости АД ЭКВФ-355L12/4
при электропитании обмотки номинальной скорости, в зависимости
от длины и сечения кабеля, полученные моделированием
209
Таким образом, установлено свойство работающего двухскоро-
стного асинхронного двигателя создавать опасность электропораже-
ния в силовом присоединении отключенной обмотки статора. В ча-
стности, представляющее опасность по величине (более 50 mА·с) ко-
личество электричества в цепи утечки (1 кОм) отключенной обмотки
малой скорости при условии применения в её силовом присоедине-
нии кабеля сечением 70 мм
2
, длиной 300 м будет иметь место при
продолжительности тока в цепи утечки 0,52 с. Для кабеля сечением
35 мм
2
эта продолжительность – 0,62 с.
Принцип защиты от электропоражения в силовом присоедине-
нии отключенной обмотки статора двухскоростного АД состоит в
создании пути оперативного тока участкового аппарата защиты от
утечек тока на землю. (АЗ) на цепь отключенной обмотки статора и в
создании цепи кратковременной проводимости в реагирующем орга-
не в момент возникновения цепи утечки тока на землю в силовом
присоединении статорной обмотки (рис. 5.20) [136]. Так, постоянный
оперативный ток АЗ будет поступать в присоединение отключенной
обмотки статора (например, "Статор1") через первичную обмотку
трансформатора TV2. Поэтому в случае касания человеком фазного
проводника присоединения этой обмотки (появление цепи утечки на
землю Rут) должно произойти срабатывание АЗ, что приведёт к от-
ключению автоматического выключателя SA комплектной трансфор-
маторной подстанции участка.
Рисунок 5.19 – Диаграммы изменения количества электричества в цепи
утечки тока на землю в отключенной обмотке статора двухскоростного АД
210
Наряду с этим, выявление момента возникновения цепи утечки
тока на землю в отключенной обмотке статора производится в ре-
зультате образования цепи кратковременной проводимости через
часть первичной обмотки трансформатора TV2, конденсатор С1, диод
VD1, контур заземления, цепь Rут утечки тока на землю и соответст-
вующую фазу отключенной от сети обмотки "Статор1". В этом слу-
чае на выходе вторичной обмотки трансформатора TV2 будет сфор-
мирован импульсный сигнал, который вызовет срабатывание реаги-
рующего органа (РО), задействованного как элемент управления
коммутационным устройством защитного отделения от цепи (Rут)
энергетического потока отключенной от сети обмотки "Статор1" АД.
Выявление состояния утечки тока на землю в отключенной обмотке
"Статор1" будет иметь место и в случае, если это состояние появи-
лось, когда двигатель находился в режиме свободного выбега после
отключения от источника электропитания. В этом случае источником
SA
Статор 1
TV2
КТП
TV1
«Земля»
Rут
Rиз; Cиз
Статор 2
АЗ
РО
«Земля»
Рисунок 5.20 - Схема устройства выявления тока утечки на землю
в присоединении отключенной обмотки статора работающего
двухскоростного асинхронного двигателя
VD1
C1
“A»
Rиз; Cиз
211
импульса в цепи кратковременной проводимости, созданной подклю-
чением конденсатора С1 и диода VD1 между выводом "А" обмотки
трансформатора TV2 и зажимом заземления будет трёхфазная обрат-
ная ЭДС, индуктированная в обмотках статора АД вращающимся по-
лем его ротора на интервале свободного выбега. Применение этого
защитного устройства должно быть согласовано с функционировани-
ем АЗ. Схема присоединения конденсатора С1 последовательно в
цепь определения информационного параметра и подключение диода
VD1 катодом к зажиму заземления исключает воздействие защитного
устройства на работу АЗ.
Таким образом, представленное устройство обеспечивает рас-
ширение функции защиты от утечек тока на землю на силовые при-
соединения отключенной от сети электропитания обмотки статора
двухскоростного асинхронного двигателя, в которой генерируются
трансформаторные ЭДС с частотой и величиной, опасными по факто-
ру электропоражения человека, как во время электропитания другой
статорной обмотки, так и после отключения асинхронного двигателя
от источника электропитания на интервале пребывания в состоянии
свободного выбега.
5.5 Техническая реализация принципа токоограничения при
отключении сети в режиме короткого замыкания
Процесс короткого замыкания в шахтной участковой электросе-
ти сопровождается возникновением крайне высоких фазных токов в
виду низких токоограничивающих свойств трансформаторов КТП и
кабелей. С учётом тенденции к повышению мощности электромеха-
нического оборудования технологических участков следует иметь в
виду, что токоограничивающие свойства участковой электросети в
перспективе будут ещё более снижаться. Поэтому актуальной пред-
ставляется задача недопущения воспламенения оболочки кабеля
вследствие воздействия тока к.з. (от момента его возникновения до
момента защитного отключения); обеспечения заданного ресурса си-
ловой контактной группы коммутационного аппарата, функциони-
рующего в процессе отключения тока короткого замыкания. Решение
этой задачи рационально рассматривать в контексте реализации
функции токоограничения в процессе защитного отключения корот-
кого замыкания. Применение технических средств токоограничения
непосредственно в составе КТП позволит распространить данную
212
защитную функцию на всю электросеть участка и, в частности, огра-
ничить ток, разрываемый силовой контактной группой автоматиче-
ского выключателя РУНН КТП. Этот принцип реализуется схемой,
представленной на рис. 5.21, где соединение в "звезду" вторичной
трёхфазной обмотки 2 трансформатора 1 КТП выполнено с использо-
ванием трёхфазного мостового выпрямителя 3, нагруженного токоо-
граничивающим резистором 4 и размыкающим контактом 5 [137].
Как вариант, нагрузкой выпрямителя 3 может быть плавкий предо-
хранитель.
При отсутствии аварийного состояния в силовом присоединении
вторичной обмотки 3 трансформатора 1 управляемый размыкающий
контакт 5 замкнут и через диоды мостового выпрямителя 3 соединяет
вторичные фазные обмотки трансформатора в трёхфазную схему. В
момент появления повышенной междуфазной проводимости на вы-
ходе трансформатора повышается ток в присоединениях нагрузки
выпрямителя 3, что приводит к размыканию контакта 5 (либо перего-
ранию предохранителя в случае использования его вместо параллель-
ного соединения элементов 4 и 5 в качестве нагрузки выпрямителя 3).
В результате в цепь вторичной обмотки вводится добавочное сопро-
тивление 4 (либо происходит разъединение трёхфазной схемы вто-
ричной обмотки 2 трансформатора 1 при использовании предохрани-
теля), что приводи к автоматическому уменьшению тока трансформа-
Рисунок 5.21 – Схема трансформатора КТП с элементами токоограничения
процесса отключения короткого замыкания силового присоединения
1
2
3
4
5
213
тора и его силового присоединения в процессе защитного отключе-
ния (средствами максимальной токовой защиты).
При наличии нулевого расцепителя напряжения в автоматиче-
ском выключателе КТП введение дополнительного сопротивления 4 в
цепь вторичной обмотки 2 приведёт и к срабатыванию этого расцепи-
теля вследствие значительного уменьшения линейного напряжения
на выходе обмотки 2. Это является фактором повышения надёжности
защитного обесточивания сети.
Переключение нагрузки трёхфазного мостового выпрямителя 3
с нулевого электрического сопротивления размыкающего контакта 5
на сопротивление резистора 4 позволяет выполнить токоограничение
в сети обмотки 2 с уменьшенными показателями искрообразования и
перенапряжения в контакте 5.
5.6 Обобщение принципов применения автоматического
защитного двустороннего обесточивания шахтной
участковой электросети
Обоснованная целесообразность применения функции защитно-
го отделения обратного энергетического потока асинхронного двига-
теля (как составляющей двустороннего обесточивания сети шахтного
участкового электротехнического комплекса при возникновении её
аварийного состояния) предусматривает применение соответствую-
щих исполнительных средств и корректирования структуры схемы
электроснабжения технологического участка в целом. Полученные
результаты, обобщённые в обосновании технических решений [116,
118; 119; 129; 130; 132; 136], в своей совокупности обусловливают
применение структурных изменений в электротехническом комплек-
се участка шахты относительно применения исполнительных уст-
ройств отделения обратных энергетических потоков асинхронных
двигателей потребителей (с соответствующими устройствами управ-
ления) непосредственно в схемах силовых присоединений их стато-
ров (рис. 5 .22). Кроме этого, с целью решения задачи принудительно-
го отключения контакторов пускателей в момент отключения напря-
жения питания участковой трансформаторной подстанции схемы
пускателей могут быть дополнены техническими средствами, дейст-
вие которых основано на сопоставлении токов вводного и отходяще-
го присоединений. В совокупности с учётом наличия устройства за-
щиты от утечек тока на землю, экранированных гибких кабелей в со-
214
ставе участковой электросети и наличия заземления их заземляющих
жил, эти технические решения обеспечивают выполнение функции
двустороннего отделения энергетических потоков от места повреж-
дения в электротехническом комплексе участка шахты (как со сторо-
ны КТП, так и со стороны асинхронных двигателей потребителей).
Важно, что технические меры по совершенствованию шахтного уча-
сткового электротехнического комплекса не требуют применения
средств передачи информационных сигналов от подстанции участка,
автоматического выключателя или пускателей участкового распред-
пункта на устройства отделения обратных энергетических потоков
асинхронных двигателей потребителей участка и этим не усложняет-
ся его схема.
Техническая реализация предложенных способов обесточивания
места повреждения в электротехническом комплексе участка шахты
предусматривает разработку соответствующих схем, которые могут
отличаться по структуре в зависимости от особенностей применяе-
мых компонентов.
Таким образом, усовершенствованная структура электротехни-
ческого комплекса технологического участка шахты отличается при-
менением: автономных средств отделения обратных энергетических
потоков при возникновении междуфазных цепей повышенной прово-
димости и утечек тока на землю в кабелях питания асинхронных дви-
гателей и может бать дополнена устройствами принудительного от-
ключения контакторов магнитных пускателей при отключении на-
пряжения питания со стороны комплектной трансформаторной под-
станции шахтного участка.
215
Рисунок 5.22 – Обобщённая схема электротехнического комплекса
шахтного участка при использовании отделения
от сети энергетических потоков асинхронных двигателей
CУДП – станция управления двух-
скоростным электроприводом
БЗО – блок защитного отключения;
К – компенсатор ёмкости изоляции
сети;
БКЗ – блок короткозамыкателей
повреждённой фазы
SA1
БЗВ
КМ1
КМn
БЗВ
W2
К
SA2
АЗ
БКЗ
SF1
Споживач
No1
БЗВ
SFn
Споживач
Non
R
R
W1
Wn
W2s.1
W2s.2
БЗВ
Двошвидкісний АД
КМ2.1
КМ2.2
Станція управління
двошвидкісним
приводом
СУДП
БЗО
Потребитель
No1
Потребитель
No1
БЗО
БЗО
БЗО
Двухскоростной АД
216
ВЫВОДЫ
В монографии отражено решение важной научно-технической
проблемы повышения эффективности функционирования шахтных
участковых электротехнических комплексов на основе развития тео-
рии и методов определения параметров их аварийных и опасных со-
стояний и принципов совершенствования их защит с учётом тенден-
ций повышения мощности рудничных электромеханических устано-
вок.
Анализ процессов в шахтных участковых электросетях с учётом
свойств технических средств защиты от аварийных и опасных со-
стояний позволяет сделать взвод, что их защитной функцией является
автоматическое отключение напряжения питания сети участкового
электротехнического комплекса путём отделения энергетического
потока питающей комплектной трансформаторной подстанции. С це-
лью повышения быстродействия защиты от электропоражения, с учё-
том тенденции перевода участковых электросетей на повышенные
уровни номинального напряжения защитная функция дополнительно
реализуется замыканием на землю поврежденной фазы через актив-
ное сопротивление малой величины в процессе отключения сети при
возникновении цепи утечки тока на землю. Этот эффект распростра-
няется на все силовые присоединения, гальванически связанные с
выходными зажимами питающей комплектной трансформаторной
подстанции.
Электротехнический комплекс шахтного технологического уча-
стка содержит асинхронные двигатели разных мощностей и является
многомашинным. В случае возникновения аварийного или опасного
состояния автоматическое отключение напряжения электропитания
нельзя считать достаточной защитной функцией вследствие не пре-
кращения воздействия обратных энергетических потоков асинхрон-
ных двигателей. Учитывая тенденции повышения мощностей элек-
тромеханического технологического оборудования шахтных участ-
ков, следует предусматривать усиление факторов опасности, созда-
ваемых обратными энергетическими потоками асинхронных двигате-
лей вследствие увеличения постоянных времени обратных ЭДС, ём-
костей изоляции кабелей участковой электросети; применения на-
пряжения повышенного номинального уровня.
Попытка применения защиты с функцией "опережающего"
обесточивания сети электротехнического комплекса шахтного участ-
217
ка (по отношению к моменту возникновения взрыва метано-
воздушной смеси) доказала неприемлемость подчинения срабатыва-
ния устройства отделения от сети обратной ЭДС асинхронного двига-
теля управляющему воздействию внешней централизованной защиты
и целесообразность создания автономно действующих средств за-
щитного отключения обратных энергетических потоков асинхронных
двигателей в условиях возникновения утечек тока на землю, между-
фазных коротких замыканий и дугообразований.
Анализом структуры шахтного участкового электротехническо-
го комплекса и характера воздействия переходных процессов при
возникновении динамических состояний его структурных состав-
ляющих доказана целесообразность применения усовершенствован-
ных методов исследования, основанных на учёте динамических со-
стояний всех структурных составляющих объекта в процессе их
взаимодействия путём представления системами дифференцирующих
уравнений с учётом воздействия энергетических потоков всей сово-
купности источников, состояний и стохастического характера отклю-
чения средств коммутации силовых присоединений.
Установлено, что реакцией реагирующего органа аппарата за-
щиты от утечек тока на землю (АЗ) на процесс контакторной комму-
тации силового присоединения является кратковременное повышение
амплитуды оперативного параметра. В сети с ёмкостью изоляции,
превышающей допустимые нормативные показатели (
С>1,0
мкФ/фазу) при коммутации присоединения с ёмкостью изоляции 0,25
мкФ/фазу и более амплитуда выходного параметра реагирующего ор-
гана АЗ имеет тенденцию существенного увеличения, что повышает
вероятность ложного срабатывания защиты. В условиях применения
электрооборудования повышенной мощности, с учётом вероятности
использования кабельной сети с увеличенными ёмкостями изоляции
целесообразно согласование параметров коммутационных процессов
с параметрами устойчивости АЗ против ложных срабатываний.
Установлены свойства энергетического обмена между асин-
хронными двигателями во время выбега при стохастическом отклю-
чении коммутационных аппаратов силовых присоединений. Опреде-
лены условия превышения током и количеством электричества, соз-
даваемыми обратными ЭДС двигателей в цепи утечки на землю, нор-
мируемых величин по критерию обеспечения электробезопасности.
Указанные параметры находятся в функциональной зависимости от
сопротивлений изоляции кабельной сети, электрически связанной с
218
цепью утечки тока на землю, электрических параметров (обобщённые
активное сопротивление и индуктивность) и моментов сопротивления
асинхронных двигателей, создающих обратные ЭДС, направленные
на цепь утечки тока на землю.
С целью ускорения обесточивания места короткого замыкания,
междуфазного дугообразования, места возникновения цепи утечки
тока на землю обоснована целесообразность защитного отделения от
сети энергетических потоков АД потребителей техническими средст-
вами при их функционировании непосредственно в присоединениях
статоров асинхронных двигателей и при отсутствии их подчинения
управляющему воздействию внешней защиты. С учётом защитного
отключения участковой сети при возникновении её опасного состоя-
ния средствами защитного отделения энергетического потока пи-
тающей трансформаторной подстанции это позволяет реализовать
функцию автоматического двустороннего защитного обесточивания
шахтной участковой сети.
Установлено, что приемлемым и достаточным способом выяв-
ления аварийного состояния в кабеле электропитания асинхронного
двигателя является измерение информационного сигнала в дополни-
тельной цепи, образованной последовательным присоединением ём-
кости между активными сопротивлениями, подключенными к фазам
сети, и диодом, катод которого присоединён к контуру "земля" (за-
земленного металлического корпуса двигателя) при условии обяза-
тельного применения в качестве питающих – шахтных гибких экра-
нированных кабелей с заземлением заземляющей жилы. Это техниче-
ское решение обеспечивает:
-
поддержание режима изолированной нейтрали сети в продол-
жительном режиме её эксплуатации;
-
отсутствие воздействия на параметры защиты от утечек тока
на землю;
-
ограничение количества электричества в цепи утечки тока на
землю на нормативно определённом уровне.
В качестве средства отделения обратного энергетического пото-
ка асинхронного двигателя в условиях шахты целесообразно приме-
нять разъединение трёхфазной схемы статора, либо её отключение от
кабеля электропитания.
Доказана возможность и предложена техническая реализация:
219
- ускорения выявления междуфазного короткого замыкания в
шахтной участковой электросети на основе измерения продолжи-
тельности прохождения током двух фиксированных уровней;
- з ащиты от междуфазного дугообразования в силовом присое-
динении за счёт применения двустороннего защитного обесточивания
на основе управления уставкой срабатывания токовой защиты со сто-
роны участковой комплектной трансформаторной подстанции и вы-
явления отличия величин токов в составляющих цепи "звезда" стато-
ра асинхронного двигателя аварийного присоединения;
- принудительного отключения контактора пускателя в качестве
дополнительного способа повышения безопасности эксплуатации
шахтного участкового электротехнического комплекса.
Установлены параметры, которые в совокупности обусловлива-
ют потенциальную опасность электропоражения в силовом присое-
динении отключенного статора работающего двухскоростного асин-
хронного двигателя и предложена техническая реализация защиты от
электропоражения в этом присоединении на основе его связи с кон-
туром оперативного тока устройства защиты от утечек тока на землю,
действующего со стороны трансформаторной подстанции участка
при использовании автономно действующего устройства выявления
цепи повышенной проводимости между фазой и контуром "земля",
действующего со стороны статорной обмотки. Этим создаётся воз-
можность синхронного двустороннего обесточивания сети в случае
возникновения утечки тока на землю в присоединении отключенного
статора работающего двухскоростного асинхронного двигателя.
Доказана рациональность применения технического средства
токоограничения процесса отключения тока короткого замыкания се-
ти на основе соединения вторичных фазных обмоток трансформатора
КТП в трёхфазную схему путём подключения их ко входам мостово-
го выпрямителя, нагруженного плавким предохранителем либо со-
единёнными параллельно размыкающим контактом и токоограничи-
вающим резистором.
220
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОК
1. Маренич К.М. Розвиток теорії і принципів побудови засо-
бів захисного знеструмлення сучасних рудникових електротехнічних
комплексів: дис. ... докт. техн. наук: 05.09.03 / Маренич Костянтин
Миколайович. – Донецьк, 2014.–266 с.
2. Правила технічної експлуатації електроустановок споживачів.
Затв. 25.07.2006 No 258/ Міністерство палива та енергетики України.
Х. Індустрія. 2007. – 272 с.
3. Правила безопасности в угольных шахтах. ДНАОП 10.0 -1.01-
10.- Харьков: ФОРТ, 2010. - 2 56 с.
4. Правила технической эксплуатации электроустановок потре-
бителей и Правила техники безопасности при эксплуатации электро-
установок потребителей. Гл.Э 3.2 Электроустановки во взрывоопас-
ных зонах. Главэнергонадзор. - М.: Энергоатомиздат, 1990.- 32 с.
5. Колосюк В.П. Техника безопасности при эксплуатации руд-
ничных электроустановок / В.П. Колосюк.- М.: Недра, 1987. - 407 с.
6. Дзюбан В.С. Взрывозащищенные аппараты низкого напря-
жения / В.С. Дзюбан. – М .: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с.
7. Півняк Г.Г. Системи ефективного енергозабезпечення вугі-
льних шахт / [Півняк Г.Г., Шкрабець Ф.П., Заїка В.Т ., Разумний
Ю.Т .]; під ред. Г .Г . Півняка. – Дніпропетровськ: НГУ, 2004. – 206 с.
8. Berryann R.J . Evolution of Longwall Mining and Control Sys-
tems in the United States [Electronic resource] / R.J . Berryann, J.A.
Voelker // Mine Safety and Health Administration, Division of Electric
Safety.
–
Triadelphia, West Virginia, 2005.
–
Mode of access:
www.msha.gov/s&hinfo /techrpt/electrical/lwcntrl.pdf.
-
Title from the
screen.
9. Groh H. Explosion protection: electrical apparatus and systems
for chemical plants, oil and gas industry, coal mining / Heinrich Groh.
–
Amsterdam; London: Elsevier Butterworth-Heinemann, 2004 – 524 p.
10. Saccomanno F. Electric Power Systems: analysis and Control /
F. Saccomanno. – Wiley-IEEE Press, 2003. – 74 4 p.
11. Meier A.V . Electric Power Systems: A Conceptual Introduction
/ A.V. Meier. – Wiley-IEEE Press, 2006. – 328 p.
12. Справочник энергетика угольной шахты: в 2 т. / [Дзюбан
В.С., Ширнин И.Г ., Ванеев Б.Н ., Гостищев В.М .]; под ред. Б .Н . Ва-
221
неева.
−
[2-е изд., перераб. и доп.].
−
Донецк: ООО "Юго-Восток,
Лтд", 2001. − Т.1.: (Гл.1-21). – 477 с.; Т.2 .: (Гл.22 -44). – 4 40 с.
13. Руководство по ревизии, наладке и испытанию подземных
электроустановок шахт / [Чумаков В.А., Глухов М.С., Осипов Э.Р. и
др.]; под ред. Дехтярева В.И. – М.: Недра, 1989. – 614 с.
14. Савицкий В.Н . Комплексное устройство управления высо-
копроизводительными угледобывающими комплексами КУУВ-
500/500 / В.Н. Савицкий, С.Н. Окорочков, И.И. Иващик // Взрывоза-
щищенное электрооборудование: сб. науч. трудов УкрНИИВЭ. −
До-
нецк: ООО "Юго−Восток, Лтд", 2011. − С. 93−99 .
15. Колосюк В.П. Повышение взрывопожаробезопасности
шахтных систем электроснабжения / В.П. Колосюк, П.К. Жуйков //
Взрывозащищенное электрооборудование: сб. науч. трудов Укр-
НИИВЭ. − Донецк: ООО "Юго-Восток, Лтд", 2008. − С. 99 −116.
16. Nelson J.P . System Grounding, Ground Fault Protection and
Electrical Safety. IEEE Press Series on Power Engineering / J.P. Nelson,
P.K. Sen. – Wiley-IEEE Press, 2009. – 500 p.
17. Ковач К.П . Переходные процессы в машинах переменного
тока / К.П. Ковач, И. Рац. – М.– Л.: Госэнергоиздат, 1963. – 74 4 с.
18. Дзюбан В.С. Аппараты защиты от токов утечки в шахтных
электрических сетях / В.С. Дзюбан. – М.: Недра, 1982. – 1 52 с.
19. Риман Я.С. Защита подземных электрических установок
угольных шахт / Я.С. Риман – М.: Недра, 1977 – 206 с.
20. Дзюбан В.С . Об электромагнитной постоянной времени
затухания обратной э. д. с. шахтных электродвигателей / В.С . Дзю-
бан, Я.С . Риман // Взрывобезопасное электрооборудование: труды
ВНИИВЭ. − 1969. − Вып. VI. − С. 196−207.
21. Озерной М.И. Переходные процессы в шахтной участковой
сети при коммутации асинхронных короткозамкнутых электродвига-
телей / М.И. Озерной, В.М. Фарович // Горный журнал. − 1969. − No3.
−
С.136−141.
22. Сыромятников И.А. Режимы работы асинхронных и син-
хронных двигателей / И.А. Сыромятников; под ред. Л.Г. Мамиконян-
ца. − 4-е изд., перераб и доп. − М.: Энергоатомиздат, 1984. − 2 40 с.
23. El-Hawary M.E . Electric Power systems: Design and analysis /
M.E . El-Hawary. – Wiley-IEEE Press, 2009. – 808 p.
24. Голоднов Ю.М. Самозапуск электродвигателей / Ю.М. Го-
лоднов. − 2 −е изд., М.: Энергоатомиздат, 1985. − 136 с.
222
25. Маренич К.Н. Проблематика электробезопасности системы
"кабель-двигатель" участка шахты / К.Н. Маренич // Наукові праці
Донецького державного технічного університету, серія гірничо-
електромеханічна. − 2001. − Вип. 27 . − С . 270-277.
26. Колосюк В.П. Защитное отключение рудничных электро-
установок / В.П. Колосюк – М.: Недра, 1980. – 334 с.
27. Ягудаев Б.М. Защита от электропоражения в горной про-
мышленности / Б.М. Ягудаев, Н.Ф . Шишкин, В.В . Назаров. – М.: Не-
дра, 1982. – 152 с.
28. Marenych K. Theoretical research into motor back EMF influ-
ence on emergency state in the electrotechnical complex of mine section /
Marenych K., Vasylets S., Kovalyova I. // Proceedings of Donetsk Nation-
al Technical University. - No 1. - 2010. – p.p. 81-87.
29. Маренич К.М. Зворотні енергетичні потоки двигунів як
фактор погіршення безпеки експлуатації електротехнічного комплек-
су дільниці шахти / К.М. Маренич, С.В. Василець // Наук. праці До-
нецького нац. техн. ун-ту. Серія "Електротехніка і енергетика", ви-
пуск 9 (158). – Донецьк: ДВНЗ "ДонНТУ", 2009. – С . 160-165.
30. Маренич К.М. Спільна робота двигунів як фактор форму-
вання зворотнього енергетичного потоку в дільничній електромережі
шахти / К.М . Маренич, С.В . Василець // Взрывозащищённое электро-
оборудование: сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО "АИР", 2010.
–
С.231-241.
31. Маренич К.М. Структура та дослідження математичної мо-
делі процесів при виникненні струму витоку на землю в електротех-
нічному комплексі дільниці шахти / К.М. Маренич, С.В . Василець //
Наук. праці ДонНТУ. Серія "Обчислювальна техніка та автоматиза-
ція", вип. 18 (169). - Донецьк: ДВНЗ "ДонНТУ", 2010. – С .141-151.
32. Сивокобыленко В.Ф . Математическое моделирование
асинхронной нагрузки в режимах группового выбега и самозапуска /
В.Ф . Сивокобыленко, В.К . Лебедев, К.А. Кукуй // Сб. научн. трудов
ДонНТУ. Серия: электротехника и энергетика.
–
Донецк: ДонНТУ,
2002. – Вып. 41 . – С. 28-34.
33. Маренич К.Н. Исследование процессов в участковой
электросети при групповом выбеге асинхронных двигателей / К.Н.
Маренич, С.В. Василец // Гірнича електромеханіка та автоматика.
–
2005.– Вип. 74.– С. 30-36.
34. Андреев В.П . Основы электропривода / В.П. Андреев,
Ю.А. Сабинин – М. –Л.: Госэнергоиздат, 1963. – 209 с.
223
35. Маренич К.М. Зворотні енергетичні потоки асинхронних
двигунів як фактор небезпеки в електромережі шахти: монографія
/К.М . Маренич, С.В . Василець.-
Донецьк, ДВНЗ "ДонНТУ", 2012. -
206 с.
36. Маренич К.М. Властивості силового електроустаткування
технологічної дільниці в контексті створення експлуатаційних небез-
пек / К.М. Маренич // Холодильна техніка і технологія. Науково-
технічний журнал No1 (141). Одеса, Одеська державна академія холо-
ду, 2013.- С . 80 -84.
37. Справочник по электроустановкам угольных предприятий
/ [В.В. Дегтярев, В.И. Серов, Г.Ю. Цепелинский]; под ред. В.В. Дег-
тярева. − М.: Недра, 1988. – 72 7 с.
38. Маренич К.М. Нова концепція керування захисним відк-
люченням низьковольтної електричної мережі дільниці шахти / К.М.
Маренич // Вісник Вінницького політехнічного інституту No6, Вінни-
ця, ВДТУ, 2001. - С.104-107.
39. Риман Я.С . Защита шахтных участковых сетей от токов
короткого замыкания / Я.С . Риман − [2-е изд., перераб. и доп.]. – М.:
Недра, 1985, − 88 с.
40. Перехідні процеси в системах електропостачання: підруч-
ник для вузів. / [Г.Г Півняк, В.М.Винославський, А.Я . Рибалко, Л.І.
Несен]; під ред. Г .Г . Півняка. – [2-е вид., доправ. та доп.]. – Дніпропе-
тровськ: НГУ, 2002. – 5 79 с.
41. Маренич К.Н. Обоснование структуры модели процесса
короткого замыкания в низковольтной электросети участка шахты /
К.Н. Маренич, И.В. Ковалёва // Наукові праці Донецького національ-
ного технічного університету, серія гірничо-електромеханічна.
−
До-
нецьк: ДонНТУ, 2006. − Вип. 12(113). − С.179-185.
42. Маренич К. Н. Моделирование процесса короткого замы-
кания в низковольтном электротехническом комплексе участка шах-
ты с учетом влияния электропотребителя / К. Н. Маренич, И. В . Ко-
валёва // Наукові праці Донецького національного технічного універ-
ситету, серія електротехніка і енергетика. − Донецьк: ДонНТУ, 2007.
−
Вип. 7(128). − С .146-149.
43. Маренич К.М . Наукові основи впровадження автоматич-
ного захисного двобічного знеструмлення шахтної дільничної елект-
ромережі: монографія/ К.М. Маренич, І.В. Ковальова. -
Донецьк,
ДВНЗ "ДонНТУ", 2012.- 12 5 с.
224
44. Электробезопасность в горнодобывающей промышленно-
сти / [Гладилин Л.В ., Щуцкий В.И., Бацежев Ю.Г., Чеботаев Н.И.]
–
М.: Недра, 1986. - 3 64 с.
45. Вареник Є.О. Забезпечення безпеки та ефективності шахт-
них електроустановок / Є.О. Вареник, С.І. Випанасенко, В.С. Дзюбан,
Н.А. Шидловська, Ф.П. Шкрабець, за ред. акад. НАН України Г.Г .
Півняка. - Дніпропетровськ: НГУ, 2004.- 334 с.
46. Лейбов Р.М . Взрывобезопасное реле утечки типа РУВ /
Р.М . Лейбов. – М.: Углетехиздат, 1953. – 32 с.
47. Лейбов Р.М. Электрификация подземных горных работ /
Р.М . Лейбов, М.И. Озерной. – М.: Недра, 1972. – 464 с.
48. Справочник по взрывозащищенному электрооборудова-
нию / [Пархоменко А.И ., Дзюбан В.С., Ширнин И.Г ., Маслий А.К.];
под ред. Пархоменко А.И. – К.: Техника, 1990. – 198 с.
49. Дзюбан В.С . Справочник энергетика угольной шахты /
В.С . Дзюбан, Я.С . Риман, А.К . Маслий – М.: Недра, 1983. – 5 42 с.
50. Вареник Є.О. Забезпечення безпеки та ефективності шахт-
них електроустановок / [Є.О. Вареник, С.І . Випанасенко, В.С. Дзю-
бан, Н.А. Шидловська, Ф.П. Шкрабець]; під ред. Півняка Г.Г. - Дніп-
ропетровськ: НГУ, 2004. – 334 с.
51. Электроснабжение угольных шахт / [С.А. Волотковский,
Ю.Т . Разумный, Г.Г . Пивняк и др.]. – М.: Недра, 1984. – 376 с.
52. Математичне моделювання електромагнітних процесів пе-
редачі енергії: навчальний посібник [для студентів вузів] / [Г.Г Пів-
няк, М.Г. Поляков, А.Я. Рибалко, С.О . Сушко]; під ред. Г.Г. Півняка.
–
Дніпропетровськ: НГУ, 2003. – 145 с.
53. Шкрабец Ф.П. Автоматический и селективный контроль
параметров изоляции в распределительных сетях напряжением выше
1000 В / Ф.П. Шкрабец. Взрывозащищённое электрооборудование.
Зб. наук. праць УкрНДІВЕ. Донецьк, 2009.- С. 31-39.
54. Аппараты защиты от токов утечки рудничные для сетей
напряжением до 1200 В. Общие технические условия: ГОСТ 22929-
78. С изменениями согласно ИУС 11-80, 7-81, 11-83. Соответствует
СТ СЭВ 2309-80 .
–
[Вступил в силу 01.01.79].
–
М.: Издательство
стандартов, 1978. – 13 с. – (Межгосударственный стандарт).
55. Система стандартов безопасности труда. Электробезопас-
ность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновений и
токов: ГОСТ 12.1.038-82, М.: Госстандарт СССР, 5 с.
225
56. Товстик Ю.В. Моделирование сопротивления тела челове-
ка при определении токо-временных параметров устройств защитно-
го отключения / Ю.В. Товстик // Наукові праці Донецького націона-
льного техн. університету, серія "Обчислювальна техніка та автома-
тизація". − Донецьк: ДонНТУ, 2010. − Вип. 18(169). − С.152 -158.
57. Маренич К.М. Діалектика удосконалення засобів захисно-
го знеструмлення кола витоку струму на землю в шахтній дільничній
електромережі / К. М . Маренич // Наукові праці Донецького націона-
льного технічного університету, серія гірничо-електромеханічна.
−
Донецьк: ДонНТУ, 2012. − Вип. 2(24)’2012. − С .165-174.
58. Цапенко Е.Ф . Электробезопасность на горных предпри-
ятиях: учеб. пособие /Е.Ф . Цапенко, С.З . Шкудин. -
М.: Изд-во Мос-
ковского гос. горного университета, 2001. - 103 с.
59. Маренич К.М. Комутаційні процеси в шахтній дільничній
електромережі як фактор впливу на стійкість роботи засобів захисно-
го знеструмлення: монографія / К.М. Маренич, С.А. Руссіян.-
До-
нецьк: ДВНЗ "ДонНТУ", 2013.- 1 17 с.
60. Патент на корисну модель 46748 (UA), МПК (2009) Н02J
3/00 Спосіб автоматичної компенсації ємнісних струмів витоку в
трифазних електричних мережах з ізольованою нейтраллю / В.М. Са-
вицький, О.І. Белошистов, О.В . Савицький.
−
u 2009 04385. Заявл.
05.05.2009. Опубл. 11.01.2010. Бюл. No1 .
61. Аппарат защиты от токов утечки унифицированный руд-
ничный АЗУР-4МК. Руководство
по
эксплуатации
/
ИТЭП.648513.004.РЭ, 2013.- 28 с. http://itep.com.ua/
62. Савицкий В.Н. Защита от токов утечки в комбинирован-
ных распределительных сетях угольных шахт / В.Н. Савицкий, Н.И.
Стадник. - 13 с. http://ukrniive.com.ua/ru/article/current_leakage.htm.
63. Бабочкин Г.И. Частотно-регулируемый электропривод ме-
ханизмов подачи очистных комбайнов / Г.И. Бабочкин, В.И. Щуцкий
// Горные машины и автоматика. - 2001, No 8.- С .38-40.
64. Шидловский А.К. Эффективные режимы работы электро-
технических комплексов/А.К. Шидловский, Г.Г . Пивняк, С.И . Выпа-
насенко и др. - Днепропетровск: НГА Украины, 2000. – 184 с.
65. Киампо Е.М. Токи утечки в комбинированной электриче-
ской сети горных машин / Е.М. Киампо, В.А. Коровкин // Известия
вузов. Горный журнал. - 1986. - No2 .- С .97-99 .
226
66. Белошистов А.И. Проблемы защиты от утечек тока на зем-
лю распределительных сетей угольных шахт, содержащих силовые
полупроводниковые элементы // А.И. Белошистов, В.Н. Савицкий
Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ.
–
Донецк: ООО "Юго-Восток, Лтд", 2004. – С. 78-83.
67. Колосюк В.П . Токи утечки на землю в системе электро-
снабжения комбайнов с регулируемым приводом / В.П. Колосюк,
Ю.В. Товстик // Уголь Украины. – 2005. – No 6. – С . 35-39 .
68. Danfoss, VLT6000 HVAC, Design guide SW2.5, 2005.- 202 p.
69. S. Kwak, H.A. Toliyat. A Hybrid Converter System for High
Performance Large Induction Motor Drives, IEEE Proc. APEC'04, vol.1,
2004.
70. Дубінін С.В . Автокомпенсація ємнісних струмів витоку на
землю в мережі з перетворювачем частоти конвертуванням негатив-
ного опору: монографія / С.В. Дубінін, К.М. Маренич.-
Донецьк:
ДВНЗ "ДонНТУ", 2013.- 104 с.
71. Дубинин М.С. Исследование влияния LC-фильтра на емко-
стной ток утечки на землю в шахтной участковой сети с преобразова-
телем частоты М.С. Дубинин. - Міжнар. конференція "Форум гірни-
ків-2007". Дніпропетровськ, НГУ, 2007. - С. 236-240.
72. Макаренко Н.П . Сетевые преобразователи электроэнергии
комплексов технических средств промышленных предприятий Н.П.
Макаренко // Вісник УБЕНТЗ. -1999. -No1 .- С . 13 - 17.
73. Дзюбан В.С. Требования к взрывозащищённому электро-
оборудованию в системах электроснабжения горных машин на на-
пряжение 3 (3,3) кВ / В.С . Дзюбан, Н.М. Басов // Взрывозащищённое
электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ.
–
Донецк: ООО
"АИР", 2009. – С.209-213.
74. Дзюбан В.С . Вплив параметрів дільничної електромережі
шахти на стійкість роботи апарата АЗУР-5 при комутації кабельного
відгалуження / В.С. Дзюбан, А.В. Горохов, С.А. Руссіян // Наукові
праці Донецького нац. техн. ун-ту. Випуск 21 (189), серія гірничо-
електромеханічна. – Донецьк: ДонНТУ, 2011. – С . 59-64.
75. Выключатели автоматические А3790. Техническое описа-
ние и инструкция по эксплуатации. ОБЕ.140.010.ТО
http://www.pec.by/content/files/_a3790u/a3790_to_ie.pdf
76. Классификация и маркировка рудничного электрообору-
дования
http://leg.co .ua/info/spravka/klassifikaciya-i-markirovka-
rudnichnogo-elektrooborudovaniya.html
227
77. Демченко О.А. Обоснование мер предотвращения взрывов
при эксплуатации гибких силовых кабелей на угольных шахтах: дис.
...канд. техн. наук: 05.26.01 / Демченко Олег Александрович.
–
Макеевка, 2011. – 194 с.
78. Авт. свид. 913516 СССР, МПК Н02Н9/02 Токоограничи-
вающее устройство / В.А. Машкин, Л.С. Беспалов, В.Г . Савельев.
(СССР) - No3000759/24-07. Заявл. 25.07.1980. Опубл. 15.03 .1982. Бюл.
No10. – 3с.:іл.
79. Шишкин Н.Ф. Быстродействующая защита шахтных сетей
от замыкания на землю /Н.Ф. Шишкин – М.: Госгортехиздат,1960.–
53 с.
80. Шишкин Н.Ф . Быстродействующая защита от токов утеч-
ки на землю в сетях с изолированной нейтралью напряжением до
1000 В / Н.Ф. Шишкин – М.: ИГД, 1960. – 50 с.
81. Шишкин Н.Ф. Основные направления электрификации со-
временных шахт / Н.Ф. Шишкин, В.Ф . Антонов – М.: Наука, 1981. –
116 с.
82. Правила безпеки у вугільних шахтах [Електронний ре-
сурс]: затверджено наказом Державного комітету України з промис-
лової безпеки, охорони праці та гірничого нагляду 22.03.2010 N 62. –
К., 2010: http://zakon2.rada.gov.ua/laws/show/z0398-10.
83. Van Der Sluis L. Transients in power systems / Lou Van Der
Sluis. – John Wiley&Sons, 2001. – 207 p.
84. Greenwood A. Electrical transients in power systems / Allan
Greenwood. – Wiley-Interscience, 1991. – 768 p.
85. Маренич К.М. Експериментальне визначення властивостей
схеми засобу автоматичного захисту від витоків струму на землю
щодо реакції на вплив комутаційного перехідного процесу / К.М . Ма-
ренич // Наукові праці Донецького національного технічного універ-
ситету, серія "Обчислювальна техніка та автоматизація".
–
Донецьк:
ДонНТУ, 2013. – Вип. 1(24)’2013. – С.32-37.
86. Руссіян С.А . Дослідження впливу перехідних процесів на
стійкість схеми апарата "АЗУР" проти хибного спрацьовування мето-
дами математичного моделювання / С.А. Руссіян, К.М. Маренич //
Взрывозащищённое электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ.
–
Донецк: 2011. – С . 62-77.
87. Дзюбан В.С. Математические модели устройств защиты от
токов утечки в шахтных электрических сетях /В.С. Дзюбан, Е.А . Ва-
реник //Сб. научн. трудов УкрНИИВЭ. - Донецк, Юго-Восток, 2004.
228
88. Тиристорные преобразователи напряжения для асинхрон-
ного электропривода / [Л.П . Петров, О.А. Андрющенко, В.М. Капи-
нос и др.] . - М.: Энергоатомиздат, 1986.- 200 с.
89. Маренич К.Н. Асинхронный электропривод горных машин
с тиристорными коммутаторами / К.Н. Маренич. – Донецк: ДонГТУ,
1997. - 64с.
90. Маренич К.Н . Исследование влияния преобразователя час-
тоты на параметры электробезопасности отходящего присоединения
в сети участка шахты / К.Н. Маренич, С.А. Руссиян, М.С . Дубинин //
Взрывозащищённое электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ.
–
Донецк: ООО "АИР", 2009. – С . 221-227.
91. Маренич К.Н. Процессы в системе "тиристорный коммута-
тор – асинхронный двигатель" при фазовом и квазичастотном регу-
лировании напряжения / К.Н. Маренич // Преобразование параметров
электрических и технологических установках. Сб. научн. тр. Ин-т
электродинамики АН УССР, Киев 1991, - С. 57-63.
92. Маренич К.М. Способы предупреждения неустойчивых
состояний асинхронного тиристорного электропривода горной маши-
ны / К.М. Маренич // Известия высших учебных заведений. Горный
журнал No 3, март 1994. - Днепропетровск, 1994. – С. 126-129.
93. Маренич К.М . Питання стійкості систем "тиристорний ко-
мутаційний апарат - асинхронний мотор" під час фазового регулю-
вання напруги/ К.М. Маренич // Теорія та моделі пристроїв вимірю-
вальної і перетворювальної техніки. Сб. наук. пр. Інститут електро-
динаміки. НАН України, Київ, 1993. - С . 35-39 .
94. Маренич К.М. Дослідження умов порушення стійкості сис-
теми "тиристорний регулятор напруги – асинхронний двигун" при
керуванні пуском електропривода / К.М . Маренич, С.А . Руссіян // Зб.
наук. пр. Інституту електродинаміки. НАН України, Вип. 28, Київ,
2011. - С. 96-102.
95. Браславский И.Я . Асинхронный полупроводниковый элек-
тропривод с параметрическим управлением / И.Я. Браславский. - М.:
Энергоатомиздат. 1988.- 22 4 с.
96. Маренич К.М. Обґрунтування принципу удосконалення
способу уповільнення пуску асинхронного електропривода гірничої
машини / К.М. Маренич, С.А . Руссіян // Гірнича електромеханіка та
автоматика. Вип. 84. – Дніпропетровськ: ДГУ, 2010. – С. 160-167.
97. Патент на винахід 101843 (UA), МПК
8
Н02М7/00. Спосіб
управління тиристорним регулятором напруги в пристрої уповіль-
229
нення пуску асинхронного двигуна / К.М . Маренич, С.А. Руссіян. – No
а 2011 01024. Заявл. 31.01.2011. Опубл. 13.05.2013. Бюл. 9. – 3 с.: іл.
98. Товстик Ю.В . Уточнение методологии оценки опасности
поражения человека электрическим током в шахтной участковой
электросети с учётом воздействия ЭДС вращения двигателя / Ю.В .
Товстик, К.Н . Маренич // Наукові праці Донецького національного
технічного університету, серія гірничо-електромеханічна. − Донецьк:
ДонНТУ, 2013. − Вип. 2(26). − С.126-136.
99. Маренич К.М . Математичне моделювання асинхронного
електродвигуна як об’єкта електротехнічного комплексу дільниці ша-
хти / К.М . Маренич, С.В . Василець // Вісник Національного універ-
ситету водного господарства та природокористування.
−
Рівне:
НУВГП, 2007. − Вип. 4(40), част. 3 . − С. 132-139.
100. Маренич К.М. Обґрунтування ефективності нейтраліза-
ції зворотної ЕРС двигунів як способу підвищення безпеки експлуа-
тації електротехнічного комплексу дільниці шахти / К.М . Маренич,
С.В. Василець // Технічна електродинаміка. К −2009. − No2 . − С. 42 -47 .
101. Mulukutla S Sarma electric machines: steady-state theory
and dynamic performance / Mulukutla S Sarma. CL-Engineering, 1994. –
672 p.
102. Boldea I. Electric machines: steady state, transients, and de-
sign with MATLAB / Ion Boldea, Lucian Nicolea Tutelea. – CRC Press,
2009. – 797 p.
103. Маренич К.Н. Исследование влияния ЭДС вращения
группы двигателей в режиме выбега на величину тока утечки в элек-
тросети участка шахты / К.Н. Маренич, С.В . Василец // Наукові праці
Донецького нац. техн. університету, серія гірнично-електро-
механічна. −
Донецьк: ДонНТУ, 2004. − Вип. 83 . – С. 303 -308 .
104. Маренич К.М. Аналіз енергетичних співвідношень у
електротехнічному комплексі дільниці шахти під час групового ви-
бігу електродвигунів споживачів / К.М . Маренич, С.В. Василець //
Взрывозащищённое электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ.
–
Донецк: ООО "Юго−Восток, Лтд", 2007. − С. 137-142.
105. Сивокобиленко В.Ф . Математичне моделювання групо-
вого вибігу електродвигунів споживачів технологічної дільниці шах-
ти / В.Ф . Сивокобиленко, К.М . Маренич, С.В . Василець // Наукові
праці Донецького нац. техн. університету, серія гірнично-електроме-
ханічна. − Донецьк: ДонНТУ, 2005. − Вип. 101. − С . 103-110.
230
106. Маренич К.М. Автоматичне гасіння зворотної ЕРС дви-
гунів споживачів електротехнічного комплексу дільниці шахти як
спосіб підвищення безпеки експлуатації / К.М . Маренич, С.В . Васи-
лець // Наукові праці Донецького національного технічного універси-
тету, серія "Обчислювальна техніка та автоматизація".
–
Донецьк:
ДонНТУ, 2011. – Вип. 20(182). – С. 50-57.
107. Маренич К.М. Обґрунтування ефективності гасіння еле-
ктрорушійної сили вибігу двигунів як способу підвищення безпеки
дільничного електротехнічного комплексу / К.М. Маренич, С.В. Ва-
силець // Електромеханічні і енергозберігаючі системи. Щокварталь-
ний науково-виробничий журнал.
-
Кременчук: КрНУ, 2012. -
Вип.
4/2012 (20).- С .54 – 56.
108. Маренич К.М. Обґрунтування доцільності примусового
відключення контактора магнітного пускача в процесі захисного зне-
струмлення дільничної електромережі шахти / К. М. Маренич // Нау-
кові праці Донецького нац. техн. ун-ту, серія гірничо-електроме-
ханічна. − Донецьк: ДонНТУ, 2013. − Вип. 1(25)’2013. − С .130-137.
109. А. с . 1494103 СССР, МПК
5
Н02Н7/08. Устройство для
максимальной токовой защиты электродвигателей / И.Т . Сидоренко,
К.Н. Маренич, С.В. Дзюбан (СССР).
−
No 4300883/24-07. Заявл.
02.06 .87. Опубл. 15 .07.89. Бюл. No 26. – 3 с.: іл.
110. А. с . 1453513 СССР, МПК
4
Н02Н73/08. Устройство для
защиты асинхронного электропривода от аварийных токов / И.Т. Си-
доренко, К.Н. Маренич, С.В . Дзюбан, В.Б. Шевчик (СССР).
−
No
4306876/24-07. Заявл. 21 .09.87. Опубл. 23.01.89. Бюл. No 3. – 5 с.: іл.
111. Маренич К.М . Математичне моделювання короткого
замикання в живлячому кабелі електротехнічного комплексу дільниці
шахти / К. М. Маренич, І. В. Ковальова // Наукові праці Донецького
національного технічного університету, серія гірничо-електромеха-
нічна. − Донецьк: ДонНТУ, 2011. − Вип. 21(189). − С.126-136.
112. Маренич К.М. Обґрунтування інформаційного параме-
тру для запровадження автоматичного відокремлення зворотних ене-
ргетичних потоків промислових електромереж / К.М. Маренич // На-
уковий вісник Чернівецького університету. Комп’ютерні системи та
компоненти. Т .4, вип.1, Чернівці, ЧНУ, 2013. - 101-106.
113. Патент на корисну модель 48268 (UA), МПК (2009)
Н02Н 3/00 Спосіб захисту від струмів короткого замикання в мережі
231
живлення асинхронного двигуна / К.М . Маренич, І. В. Ковальова. − u
2009 09863. Заявл. 28.09 .2009. Опубл. 10.03 .2010. Бюл. No5. – 3 с.: іл.
114. А. с . 1564344 СССР, МПК
5
Е21С35/24. Устройство для
защиты горной машины от динамических перегрузов / И.Т . Сидорен-
ко, К.Н . Маренич, В.С. Бакуменко (СССР). − No 4395115/31-03; заявл.
21.03 .88. Опубл. 15 .05.90. Бюл. No18.- 3 с.: іл.
115. Маренич К. Н. Синхронное двустороннее обесточива-
ние поврежденного участка кабеля шахтной участковой электросети /
К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва // Уголь Украины: научный журнал. –
Киев, 2011. – Вып. No5. – С.53-54.
116. Патент на винахід 95757 (UA), МПК (2006.01) Н02Н 3/10
Н02Н 7/08 Пристрій захисту від впливу асинхронного двигуна на то-
чку короткого замикання в кабелі живлення / К.М. Маренич, І. В. Ко-
вальова, І. О. Лагута, С.В . Василець.
−
а 2010 13816. Заявл.
22.11 .2010. Опубл. 25.08 .2011. Бюл. No16. – 4 с.: іл.
117. Маренич К.М. Дослідження процесів у дільничній елек-
тромережі шахти при застосуванні засобу синхронного двобічного
знеструмлення місця пошкодження кабелю / К.М . Маренич, І. В . Ко-
вальова // Гірнича електромеханіка та автоматика: науково-техн. збі-
рник. − Дніпропетровськ: НГУ, 2010. − Вип. 85. − С . 3-11.
118. Патент на корисну модель 71661 (UA), МПК (2012.01)
Н02Н 3/00 Пристрій захисту від впливу зворотного енергетичного
потоку асинхронного двигуна на точку короткого замикання в кабелі
живлення / І.О. Лагута, І.В. Ковальова, К.М. Маренич. − u201114935.
Заявл. 16.12 .2011. Опубл. 25.07.2012. Бюл. No14 . – 5 с.: іл.
119. Патент на винахід 103934 (UA), МПК (2006.01) Н02Н
3/02; Н02Н 3/10 Пристрій захисту від впливу зворотного енергетич-
ного потоку асинхронного двигуна на точку короткого замикання в
кабелі живлення / К.М. Маренич, І.В. Ковальова, І.О. Лагута. − а 2012
01369. Заявл. 09 .02.2012. Опубл. 10.12 .2013. Бюл. No23. – 5 с.: іл.
120. Маренич К.М. Автоматичний захист електроустаткуван-
ня шахт від аварійних станів і небезпек: навч. посібн. для вищ. навч.
закл. / К.М. Маренич, І.В. Ковальова. - Донецьк, ДонНТУ, 2013. -209 с.
121. Маренич К.М. Удосконалення засобу відокремлення
зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна / К.М. Ма-
ренич, І.В . Ковальова // Наукові праці ДонНТУ. Випуск 1(12)-2(13),
серія "Електротехніка і енергетика".
-
Донецьк: ДонНТУ, 2012.
-
С.
166-171.
232
122. Ковальова І.В. Вплив комутаційного перехідного проце-
су на параметри спрацьовування засобу захисного знеструмлення
електромережі шахтної дільниці/ І.В. Ковальова, К.М. Маренич // На-
укові праці Донецького держ. техн. ун-ту. Серія гірничо-електроме-
ханічна. Вип. 1(27)’2014. - Донецьк ДонНТУ, 2014. - С.123-129.
123. Патент на винахід 82111 (UA), МПК (2006) Н02Н 3/16
Спосіб захисту людини від ураження електричним струмом в мережі
з ізольованою нейтраллю / К.М . Маренич, С. В. Василець.
−
а 2006
00387. Заявл. 16.01.2006. Опубл. 11.03 .2008. Бюл. No5 . – 4 с. : іл.
124. Маренич К.Н . Об актуальности применения контакторов
серии SPVC в схеме трансформаторной подстанции участка шахты /
К.Н. Маренич // Наук. праці Донецького нац. техн. ун-ту, серія гірни-
чо-електромеханічна. − Донецьк: ДонНТУ,2002.− Вип. 42.− С.173-177.
125. Маренич К.М. Двофазне коротке замикання на виході
тиристорного регулятора напруги промислової електромережі як
об’єкт дослідження / К.М. Маренич // Збірник наук. праць Донецько-
го інституту залізничного транспорту Української державної академії
залізничного транспорту. Випуск 33. - Донецьк, 2013. - С. 146-151 .
126. Ешан Р.В . Исследование короткого замыкания в электро-
техническом комплексе с тиристорным регулятором напряжения ме-
тодами математического моделирования /Р.В . Ешан, К.Н. Маренич //
Праці Луганського відділення Міжнародної академії інформатизації
No2(17), Луганськ, 2008. - С.27-31.
127. Маренич К.М. Визначення терміну проходження стру-
мом двох фіксованих рівнів як спосіб прискорення функції максима-
льного струмового захисту / К.М. Маренич // Наук. праці Донецького
нац. техн. ун-ту, серія "Обчислювальна техніка та автоматизація".
–
Донецьк: ДонНТУ, 2013. – Вип. 2(25)’2013. – С.27-33.
128. А. с. 1680977 СССР, МПК
5
Е21С35/24. Устройство для
выявления аварийных режимов эксплуатации приводов / И.Т. Сидо-
ренко, К.Н. Маренич, С.В. Дзюбан, И.С. Кибрик, А.П. Быковский,
В.С. Бакуменко (СССР).
−
No 4738242/03; заявл. 10.07.89. Опубл.
30.09 .91. Бюл. No36.- 4 с.: іл.
129. Патент на корисну модель 50773 (UA), МПК (2009)
Н02Н 3/00 Спосіб захисту від струмів короткого замикання в мережі
живлення асинхронного двигуна / К.М. Маренич, І. В . Ковальова. u
2009 13013. Заявл. 14.12 .2009. Опубл. 25.06 .2010. Бюл. No12 . – 4 с.: іл.
233
130. Патент на винахід 97592 (UA), МПК (2006.01) Н02Н 3/10
Н02Н 7/08 Спосіб струмового захисту в мережі живлення асинхрон-
ного двигуна в складі гірничого дільничного електротехнічного ком-
плексу / К.М. Маренич, І. В . Ковальова, С.В. Василець.
−
а 2010
15324816. Заявл. 20.12 .2010. Опубл. 27.02.2012. Бюл. No4. – 4 с.: іл.
131. Маренич К. Н. Технические возможности автоматиче-
ского отключения пускателя / К. Н . Маренич, И. В. Ковалёва // Уголь
Украины: научный журнал. – Киев, 2011. – Вып. No10. – С .33 -36 .
132. Патент на винахід 102285 (UA), МПК (2013.01) Н02Н
3/00 Пристрій контакторної комутації асинхронного двигуна в елект-
ромережі технологічної дільниці / К.М. Маренич, І. В. Ковальова. − а
2011 09048. Заявл. 19.07.2011. Опубл. 25.06 .2013. Бюл. No12 . - 4 с.: іл.
133. Маренич К.Н. Анализ параметров эксплуатационной
безопасности двухскоростного асинхронного двигателя шахтного
скребкового конвейера/ К.Н. Маренич // Наукові праці Донецького
держ. технічного університету. Серія гірничо-електромеханічна. Вип.
35, Донецьк ДонНТУ, 2001. - С.127 -131.
134. Взрывозащищённые асинхронные двигатели: выбор,
эксплуатация и ремонт / В.В. Каика, Т.В. Швецова, А.И. Аниканов и
др. ; под общ. ред. В .В. Каики. - Донецк: Юго-Восток, 2010. - 3 60 с.
135. Маренич К.М. Захист від електроураження в приєднанні
відключеного статора працюючого двошвидкісного асинхронного
двигуна / К.М. Маренич // Наукові праці Донецького національного
технічного університету, серія "Електротехніка та енергетика". – До-
нецьк: ДонНТУ, 2013. – Вип. 1(14). – С .183-188.
136. Патент на винахід 103735 (UA), МПК (2013.01) Н02Н
3/00; Н02Н 3/02 (2006.01) Пристрій визначення стану витоку струму
на землю в мережі двошвидкісного асинхронного двигуна / К.М . Ма-
ренич, І. В. Ковальова.
−
а 2012 14770. Заявл. 24.12.2012. Опубл.
11.11 .2013. Бюл. No21. - 4 с.: іл.
137. Патент на винахід 106182 (UA), МПК Н01F 27/28; Н02Н
7/04 (2006.01) Трифазний трансформатор напруги / К.М. Маренич, І.
В. Ковальова, О.К . Маренич − а 2013 13096. Заявл. 11.11 .2013. Опубл.
25.07.2014. Бюл. No14. - 4 с.: іл.
234
МАРЕНИЧ Костянтин Миколайович
ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ТА ПРИНЦИПИ ЗАСТОСУВАННЯ
ЗАХИСНОГО ЗНЕСТРУМЛЕННЯ
РУДНИКОВИХ ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНИХ КОМПЛЕКСІВ
Монографія
(російською мовою)
Редакційно-технічне оформлення, комп’ютерна верстка,
дизайн обкладинки К.М. Маренич
Підписано до друку 19.06.2015 г.
Формат 60×841/32
. Папір крейдований.
Гарнітура"Newton". Друк – лазерний.
Обл. - вид. л. 10,5. Ум. друк. арк. 10,23.
Замовлення No2469. Тираж 500 прим.
Видавництво: ТОВ "Технопарк ДонДТУ "УНІТЕХ"
Свідоцтво про внесення видавця до Державного реєстру
суб'єктів видавничої діяльності – ДК 1017 від 21.08.2002
Тел.: +380 (66) 029-44-30
Ел. пошта: m-lab@ukr.net
Віддруковано у друкарні ТОВ "Норд Комп’ютер"
на цифрових лазерних видавничих комплексах
Rank Xerox DocuTech 135 і DocuColor 2060
Тел.: +380 (62) 389-73-82, 389-73-86
Ел. пошта: nordpress@gmail.com
Маренич Константин Николаевич,
профессор, доктор технических наук,
заведующий кафедрой «Горная
электротехника и автоматика
им. Р.М. Лейбова», проректор по научной
работе Донецкого национального
технического университета ( г. Донецк )
Основой монографии является диссертация профессора К. Н. Маренича
«Развитие теории и принципов построения средств защитного обесточивания
современных рудничных электротехнических комплексов» на соискание
учёной степени доктора технических наук ( защищена 22.04.2014 г.)
Монография содержит обоснование метода математического модели-
рования переходных процессов в шахтном участковом электротехническом
комплексе, в соответствии с которым объект исследования представляєтся
системой распределённых: источников энергетических потоков; сопротив-
лений изоляции силовых присоединений; проводимостей в контуре „земля” и
учитываются изменения конфигурации сети в процессе и после отключения
напряжения питания. Получены закономерности изменения электрических
параметров в структурах электротехнического комплекса в условиях воздей-
ствия переходных процессов и действия совокупности энергетических пото-
ков распределённых источников. Определена возможность обратных ЭДС
асинхронних двигателей поддерживать опасное состояние электросети после
её защитного отключения. Представлены усовершенствованные принципы
построения защит шахтного участкового электротехнического комплекса от
аварийных и опасных состояний. За основу принята концепция его защитного
обесточивания отделением от сети всех источников энергетических потоков
при применении в присоединениях статоров асинхронных двигателей
измерительных и исполнительных средств, реагирующих на повышение
проводимостей в цепях „фаза-земля” кабелей электропитания.
Монография предназначена для научных работников и специалистов,
работающих в области создания, модернизации и эксплуатационного сопро-
вождения рудничного электрооборудования, а также может использоваться в
качестве ученого пособия: для аспирантов - при исследовании процессов в
промышленных электроиехнических комплексах; для студентов высших
учебных заведений - при изучении соответствующих разделов дисциплины
«Электрооборудование и электроснабжение горных предприятий».