ВІД РОЗРОБКИ ДО ВПРОВАДЖЕННЯ

Головна : : Статті : : Захист від струмів витоку в комбінованих розподільних...

В.М. Савицький, М.І. Стадник

Захист від струмів витоку в комбінованих розподільних мережах вугільних шахт.

Розглянуто питання забезпечення захисту людини від поразки електричним струмом у розподільних мережах вугільних шахт, що містять напівпровідникові перетворювачі частоти (комбіновані мережі). Запропоновано принцип забезпечення захисту в комбінованих мережах, методика визначення струму витоку з урахуванням високочастотних складових, обумовлених роботою перетворювача. Описано роботу системи захисту з апаратом АЗУР-4ПП, який реалізує запропоновані принципи.

Постановка проблеми

Очевидні переваги регульованих електроприводів на базі силових напівпровідникових приладів (тиристорів і транзисторних модулів), які знайшли найширше застосування в загальнопромислових мережах, неодноразово намагалися використати для керування шахтними машинами та механізмами. Однак, тільки в останні роки почалося їхнє практичне застосування у вугільних шахтах України, що обумовлено зрослими вимогами до гірських машин, рівнем розвитку вугільного машинобудування в цілому.

У цей час на шахтах України проводиться впровадження нових високопродуктивних механізованих комплексів на базі комбайнів УКД-300, КДК-500 і КДК-700, які харчуються напругою 1140 В, до складу яких входять вибухозахищені напівпровідникові перетворювачі частоти для приводу подачі комбайнів. Для пуску шахтних стрічкових конвеєрів також широко застосовуються пристрої плавного пуску на базі тиристорних регуляторів напруги.

Впровадження регульованих приводів у вугільному машинобудуванні супроводжується як технічно складними питаннями забезпечення вибухобезпеки та надійності експлуатації силових напівпровідникових приладів у складних умовах вугільних шахт, так і не простими питаннями забезпечення електробезпечності їхньої експлуатації. Зв'язано це з тим, що при введенні силових напівпровідникових приладів звичайна розподільна мережа стає комбінованою, тобто містить додатково ділянку мережі постійного струму й ділянку мережі з регульованою частотою від 0 до 100 Гц і більше. Кожна із цих ділянок визначає особливості експлуатації та наявність різних вимог по забезпеченню електробезпечності, причому, з огляду на те, що ділянки перебувають в одній мережі необхідно комплексне рішення проблеми захисту від аварійних режимів й, зокрема, захисти людини від поразки електричним струмом.

При цьому питання електробезпечності експлуатації такого встаткування традиційним шляхом вирішити неможливо [1,3].

Обумовлено це цілим рядом причин, при яких можливе виникнення аварійних ситуацій у розподільній мережі, коли реле витоку не може забезпечити захист від поразки людей електричним струмом.

До основних причин, які перешкоджають безпечної експлуатації комбінованих електричних мереж, ставляться наступні:

Ціль статті

Визначення якісних і кількісних характеристик перехідних процесів струмів витоку в комбінованих мережах, що враховують вплив ділянок мережі основної гармоніки 50 Гц, ділянки мережі регульованої частоти та високочастотних складових, обумовлених роботою перетворювача частоти, а також рішення проблеми захисту від струмів витоків на землю таких мереж.

Результати досліджень

Як відомо в Україні та країнах СНД у розподільних мережах вугільних шахт потрібне обов'язкове застосування апаратів захисту від витоків струму на землю типу АЗУР-1 і АЗУР-4 при напрузі 660 і 1140 В відповідно. Принцип дії полягає в накладенні на мережу оперативного постійного струму та контролі його величини при одночасній компенсації ємнісній складової струму витоку, а також захисному шунтуванні ушкодженої фази. Зазначені апарати призначені тільки для захисту трифазних електричних мереж з ізольованою нейтраллю, вимоги до яких викладені у ДСТ 22979-78 «Апарати рудничні захисту від витоків струму на землю в розподільних мережах напругою до 1200 В». Зазначений ДСТ не поширюється на комбіновані розподільні мережі, утримуючі ланки постійного струму, а отже й застосування апаратів серії АЗУР без додаткових заходів у таких мережах неправомочне. Це було відомо ще у 80-х роках минулого століття, коли вживали спроби впровадження в шахти комбайнів з регульованою подачею на постійному струмі [2].

Обумовлено це тим, що при виникненні витоку або при плавному зниженні опору ізоляції в ланці постійного струму між мережею та землею виникає друге джерело постійної напруги, величина якої може виявитися значно вище джерела оперативного струму апарата захисту Iоп, як це показано на рисунку 1.

Схема включення апарата захисту від витоків струму на землю в мережі, що містить ланку постійного струму
Рисунок 1 – Схема включення апарата захисту від витоків струму на землю в мережі, що містить ланку постійного струму
ФП – фільтр приєднання до мережі реле витоку; УВПФ – пристрій вибору та шунтування ушкодженої фази;
ПЧ – перетворювач частоти; ЭД – асинхронний електродвигун;
Iоп – оперативний струм апарата захисту; Iу – струм витоку в ланці постійного струму;
Rут1, Rут2 – опір витоку в розподільній мережі та у ланці постійного струму, Rш – шунтуючий опір.

При цьому струм I у перевищує струм I оп і блокує вимірювальний орган реле витоку, причому це може проявлятися в роботі тривалий час, а виниклий витік у мережі не буде виявлен та відключен апаратом захисту. Значно більше важкі наслідки виникають у розподільних мережах напругою 1140 В, де з метою обмеження величини струму витоку застосовуються пристрої вибору ушкодженої фази та шунтування її через малий опір на землю. Застосування даного способу в комбінованих мережах неможливо через наявність ланки постійного струму в перетворювачі частоти. У той же час по співпадаючих ознаках у початковий момент виникнення витоку пристрій вибору ушкодженої фази визначає одну з фаз і дає команду на її шунтування. Це приводить до того, що струм, який протікає через шунтувальний резистор, буде підхарчовувати місце аварії і тим самим збільшить ступінь важкості аварії.

Ці висновки підтверджуються проведеними випробуваннями в реальній мережі, харчування якої здійснювалося від трансформаторної підстанції КТПВ-630/6-1.2, яка містить кабелі типу КГЕБУШВ 3х50+3х35 та перетворювач частоти. Захист мережі здійснювався за допомогою серійного апарата захисту типу АЗУР-4.

Результати випробувань наведені в таблиці 1, з якої видно, що короткочасний струм істотно перевищує припустиме значення навіть при малих ємностях мережі.

Таблиця 1
Ємність мережі, мкФ на фазу Короткочасний струм витоку, мА, при частоті перетворювача, Гц
до перетворювача після перетворювача 0 20 50
0,1 0 85 65 55
0,2 0 75 70 65
0,1 0,1 450 330 300
0,2 0,1 370 260 200
0 0,2 800 570 320
0,1 0,2 620 440 300
0,2 0,2 510 380 300

Забезпечення захисту в цьому випадку, відповідно до рекомендацій інституту МакНДІ, повинне бути досягнуте за рахунок наступних організаційно-технічних заходів:

Схема електропостачання для даного випадку наведена на рисунку 2.

Схема електропостачання вугільного комбайна з регульованою подачею (електродвигуни різання ЕДР1, ЕДР2 і подачі ЕДП1, ЕДП2) та інших механізмів (електродвигун ЕД)
Рисунок 2 – Схема електропостачання вугільного комбайна з регульованою подачею
(електродвигуни різання ЕДР1, ЕДР2 і подачі ЕДП1, ЕДП2) та інших механізмів (електродвигун ЕД):
КТПВ1, КТПВ2 – трансформаторні підстанції потужністю 1000 або 630 кВА; РУ – реле витоку; АВ1, АВ2 – автоматичні вимикачі; ПВ1...ПВ3 – пускачі; С1, С2, С3 – ємність відповідних ділянок мережі.

Складність проблеми складалася ще й у тім, що впровадження силових частотних перетворювачів у мережі 1140 В почалося з одночасним застосуванням нових кабелів типу КГЕБУШВ, КГЕШВ, КГЕШР, які мають шість силових жил. Причому, при довжині кабелю 550 м, його ємність становить 0,28 мкФ на фазу й 0,24 мкФ на фазу для жил 70 і 35 мм2 відповідно. Ці величини перевищують припустимі ДСТ 22929 параметри одиночних відгалужень, які повинні бути не вище 0,15 мкФ на фазу і є вихідними для проектування та випробувань апаратів захисту від витоків для комбінованих мереж. Порівняльні дані ємностей кабелів наведені в таблиці 2.

Таблиця 2
Тип кабелю Ємність фази, мкФ
КГЕБУШВ 3х70+3х35 0,52
КГЕШ 3х35 0,24

З наведених даних випливає, що кабелі типу КГЕБУШВ мають значно більшу ємність, що необхідно обов'язково враховувати при проектуванні схем електропостачання і їхнього захисту.

Слід зазначити, що впровадження частотних перетворювачів у вугільні шахти України останнім часом ішло з випередженням розробки засобів від витоків струму на землю, а питання безпеки вирішувалися по ходу впровадження в шахтних умовах. Причому були початі спроби застосувати серійні апарати типу АЗУР-1 або АЗУР-4, які завершилися невдало та лише змушена ситуація змусила вирішувати цю проблему цілеспрямовано.

Рішення проблеми захисту виявилося досить складним, тому що раніше проведені дослідження та теоретичні розробки базувалися на спрощенні ряду факторів [1,4] і відсутності підтверджуючих експериментальних досліджень через неможливість їхнього проведення в реальних умовах і недосконалості іспитової бази. Тому отримані раніше результати становлять інтерес із погляду наближеного пізнання процесів, але не можуть бути використані в якості вихідних даних для проектування систем захисту. Одним з головних спрощень при розрахунку комбінованих мереж було допущення про те, що в мережі протікають перехідні процеси, обумовлені наявністю тільки джерела напруги частотою 50 Гц.

У той самий час експериментальні дослідження, проведені на натурній мережі, змонтованої в умовах Горловського машзавода (ЗАТ «Горловський машинобудівник») показали, що у всіх випадках однофазних витоків на землю визначальну роль у характері протікання перехідних процесів грають вищі гармоніки, обумовлені широтно-імпульсною модуляцією перетворювача частоти, характерні осцилограми яким наведені на рисунку 3.

Характерні осцилограми струму витоку в розподільній мережі напругою 1140 В
Рисунок 3 – Характерні осцилограми струму витоку в розподільній мережі напругою 1140 В
а) f=0Гц (C1=0,2 C2=0,2); б) f=20Гц C1=0,5; C2=0,2); в) f=50Гц (C1=0,7 C2=0,2); г) f=70Гц C1=0,2; C2=0,2)

Тому становить інтерес розгляд і розрахунок перехідних процесів при витоках струму на землю в різних ділянках комбінованої мережі.

Розрахункова схема комбінованої мережі для комбайна УКД-300 с винесеним на штрек перетворювачем ПЧЕШ-60 наведена на рисунку 4. Дана трифазна розрахункова схема відповідно до [5] може бути перетворена в однолінійну, загальний вид якої наведений на рисунку 5.

Розрахункова схема комбінованої мережі напругою 1140 В
Рисунок 4 – Розрахункова схема комбінованої мережі напругою 1140 В
ПЧ – перетворювач частоти; В – випрямляч; И – інвертор;
ЭДР1, ЭДР2 – двигуни різання; ЭДП1, ЭДП2 – двигуни подачі;
С1 – сумарна ємність відгалужень схеми електропостачання ділянки мережі;
С2 – ємність відгалуження кабелю, який харчує електродвигуни різання;
С3 – ємність кабелю, який харчує електродвигуни подачі комбайна; С4 – ємність ланки постійного струму;
L1 – індуктивність вхідного дроселя; L2 – індуктивність вихідного дроселя

Характерні осцилограми струму витоку в розподільній мережі напругою 1140 В
Рисунок 5 – Однолінійна схема заміщення розрахункової мережі
e1(t) – напруга зсуву нейтралі мережі основної гармоніки при витоку струму на землю;
e2(t) – напруга зсуву нейтралі мережі що змінюється та високочастотної складових,
обумовлених роботою ШИМ при витоку струму на землю;
L'э, R'э, C'э – еквівалентні індуктивність, активний опір та ємність кабелів ділянок мережі частотою 50 Гц;
L''э, R''э, C''э – еквівалентні індуктивність, активний опір та ємність відрізка кабелю після перетворювача частоти.

З наведеної схеми витикає, що при виникненні струму витоку в будь-якій крапці мережі він протікає під дією напруги зсуву нейтралі, формованого напругою основної гармоніки 50 Гц, напругою частоти, що змінюється, від 0 до 100 Гц і напругою високочастотних складових, обумовлених роботою перетворювача частоти. Аналіз схеми й алгоритму роботи перетворювача показує, що напруги e1(t) і e2(t) є адитивними, а отже напруга зсуву нейтралі, під дією якої протікає струм витоку на землю, можна представити у вигляді:
uN(t)= u'N(t)+ u''N(t)+ u'''N(t), (1)
де uN(t) – напруга зсуву нейтралі мережі;
u'N(t) – складова напруги зсуву нейтралі мережі основної гармоніки 50 Гц;
u''N(t) – складова напруги зсуву нейтралі мережі змінної частоти 0..100 Гц;
u'''N(t) – складова напруги зсуву нейтралі мережі вищих гармонік.

Частота дискретизації ШИМ у застосовуваних частотних перетворювачах становить 2500 Гц, при цьому, ємнісні та індуктивні опори кабельної мережі змінюються в десятки разів у порівнянні із частотою 50 Гц, отже, індуктивним опором кабелів при розрахунках струмів витоків у комбінованих мережах зневажати не можна.

Для визначення характеру протікання процесу, його якісних і кількісних характеристик доцільно розглянути алгоритм роботи перетворювача частоти, блочно-структурна схема і діаграма напруг якого наведені на рисунку 6.

Як показують подальші розрахунки, високочастотна складова напруги зсуву нейтралі мережі по амплітуді є визначальною в струмі витоку на землю, однак ця напруга не є однозначною, тому що вона визначається алгоритмом роботи перетворювача частоти, основна суть якого полягає в наступному.

Блочно-структурна схема перетворювача частоти ПЧЕШ-60 і діаграми напруг
Рисунок 6 – Блочно-структурна схема перетворювача частоти ПЧЕШ-60 і діаграми напруг

При включенні керуючого контактора напруга мережі подається на активний випрямляч 1, який харчує ланку постійного струму 2 і інвертор напруги 3 с вихідним дроселем 4. Випрямляч подає напругу на конденсатори ланки постійного струму, попередньо заряджені від допоміжного джерела, після чого йде процес формування вихідної напруги заданої частоти за допомогою інвертора напруги шляхом почергового відкривання керованих модулів короткими імпульсами частотою 2500 Гц.

Принцип використання ШИМ для регулювання вихідної напруги трифазного інвертора напруги полягає у тому, що верхній і нижній ключі кожного із плечей перебувають у протилежному стані та перемикаються із частотою модуляції, як це представлено на еквівалентній схемі заміщення (рисунок 7).

Еквівалентна схема трифазного інвертора напруги
Рисунок 7 – Еквівалентна схема трифазного інвертора напруги
К1-К6 – схематичне зображення напівпровідникових ключів; С – ємність ланки постійного струму інвертора;
Za - Zc – опори відповідних фаз лінії, яка відходить.

Час включення ключів визначається порівнянням напруги, яка модулює uтр (t) с напругою завдання uзад (t).

Так як на виході трифазного інвертора формується симетрична трифазна система напруг, необхідні три однаково задані напруги зі зрушенням на одну третину періоду вихідної частоти (2π / 3): uзадA (t), uзадB (t), uзадC (t). Діаграми, що ілюструють принцип реалізації ШИМ показані на рисунку 8.

Вихідна напруга інвертора:
uвых (t)=U·F(t), (2)
де U – напруга джерела харчування;
F(t) – функція, обумовлена законом керування силовими ключами інвертора.

Трифазна система напруг завдання:
uзадA=μ·sin(2πtƒвыхк), (3)
uзадВ=μ·sin(2πtƒвыхк-2π/3), (4)
uзадC=μ·sin(2πtƒвыхк-4π/3), (5)
де μ – коефіцієнт модуляції;
ƒвых – частота вихідної напруги;
ƒк – частота модуляції.

Напруга, що модулює: uТР(t)=-2·arcsin[sin(t-π/2)]/π. (6)

Принцип реалізації синусоїдальної ШИМ трифазного перетворювача частоти
Рисунок 8 – Принцип реалізації синусоїдальної ШИМ трифазного перетворювача частоти
tK1и tК3 – час включеного стану ключів К1 і К3; uAN(1), uBN(1), uAB(1) – величини напруг відповідних фаз мережі.

Прямокутні імпульси згладжуються вихідним LC-фільтром, у результаті чого формується вихідна напруга синусоїдальної форми з накладеними високочастотними гармоніками, величина та рівень яких залежать від заданої частоти і становлять до 12 %, які й приймаються в якості базової для розрахунку струмів замикання на землю. Причому як витикає з рисунку 8, с зменшенням частоти ширина вихідних імпульсів збільшується, а, отже, рівень високочастотної складової знижується.

Напруги uAN, uBN разом зі змінною складовою містять і постійну складову U / 2.

Лінійна напруга на виході трифазного інвертора напруги u = uAN – uBN. Його основна гармоніка визначається різницею основних гармонік відповідних напруг, амплітуди яких Um(1)=μ·(U/1).

Оскільки напруги утворять симетричну трифазну систему, значення амплітуди основної гармоніки лінійної напруги: (U/1)UЛМ(1)=μ·((U/2)·√3) (μ≤1 – у межах зміни коефіцієнта модуляції).

Діюче значення лінійної вихідної напруги: UЛ(1)=μ·[(U/2)·(√3/√2)] =μ·0,606·U. (7)

На рисунку 9 показано спектр вихідної напруги (у відносних одиницях) трифазного інвертора.

Напруга крапки А відносно нейтрали N uA(t) за умови, що uтр(t)<uзадA(t) дорівнює +U і 0, коли uтр(t) > uзадA(t), аналогічно для фаз В і С.

Спектр вихідної напруги інвертора у відносних одиницях
Рисунок 9 – Спектр вихідної напруги інвертора у відносних одиницях
при μ=0.9, і коефіцієнти модуляції по частоті mf=15

Гармонійний склад напруги зсуву нейтралі [6] визначається при розкладанні в ряд Фур'є:
uN(t)=Um1sin(ωt+φ1)+Um3sin(3ωt+φ3)+...+Umnsin(nωt+φn),
де uN(t) – миттєве значення напруги зсуву нейтралі мережі;
umn – амплітуда n-й гармоніки;
ω – частота основної гармоніки вихідної напруги інвертора;
φn – кут зрушення фаз для n-й гармоніки.

Коефіцієнти Фур'є для n-й гармоніки:
An={∑n[uвых·cos(nπ/mf)]}/(2πmf/Δt), (8)
Bn={∑n[uвых·sin(nπ/mf)]}/(2πmf/Δt), (9)
Cn=√(A2n+B2n), (10)
де Δt – інтервал дискретизації.

Як видно з рисунку 9, напруга на виході трифазного інвертора містить непарні гармоніки, причому величини їхніх амплітуд досить великі. Тому трифазний інвертор необхідно представити у вигляді трифазної системи послідовно з'єднаних джерел синусоїдальних напруг.

Миттєве значення струму однофазного витоку на ділянці мережі з незмінною частотою 50 Гц (опори полюсів ділянки постійного струму перетворювача щодо землі однакові) дорівнює сумі миттєвих значень струмів, обумовлених окремими гармоніками:
iу(t)=iу(1)(t)+iу(3)(t)+...+iу(n)(t), (11)
де
iу(n)(t)=uвых(n)(t)·√[(x2cn-2+R2)/(x2cn-2(Ry+R)2+R2yR2)],
xc, xR – відповідно ємнісний та активний опір мережі;
Ry – опір витоку.

Позначивши:
Yn=√[(x2cn-2+R2)/(x2cn-2(Ry+R)2+R2yR2)]
одержимо
iy(t)=Um1Y1sin(ωt+φ1)+Um3Y3sin(3ωt+φ3)+...+UmnYnsin(nωt+φn). (12)

Діюче значення струму однофазного витоку на ділянці мережі з незмінною частотою з урахуванням вищих гармонік:
Iy=√(U21Y21+U23Y23+...+U2nY2n). (13)

У випадку, коли опори полюсів ділянки постійного струму інвертора щодо землі не рівні, у вихідній напрузі інвертора та струмі витоку з'являється постійна складова.

Миттєве значення струму витоку на ділянці мережі з незмінною частотою (опори полюсів не рівні):
iy(n)'(t)=uN(n)(t)·√{[(x2cn-2+R2)/(x2cn-2(Ry+R)2+R2yR2)]+[1,172/(r+Ry)2]}, (14)
r – опір витоку ланки постійного струму;
1,17 – коефіцієнт випрямленої напруги схеми (u =1,17uф).

Позначивши
Y'n=√{[(x2cn-2+R2)/(x2cn-2(Ry+R)2+R2yR2)]+[1,172/(r+Ry)2]}
одержимо
iy'(t)=Um1Y'1sin(ωt+φ1)+Um3Y'3sin(3ωt+φ3)+...+UmnY'nsin(nωt+φn). (15)

Діюче значення струму однофазного витоку на ділянці мережі з незмінною частотою (опо ри полюсів не рівні):
I'y=√(U21Y'21+U23Y'23+...+U2nY'2n). (16)

Діюче значення фазної напруги з урахуванням вищих гармонік:
Uф=√(U21+U23+...+U2n). (17)

Діюче значення струму однофазного витоку на ділянці постійного струму:
Iy=Uф{[1,17r/(RRy+Ryr+rR)]+[2,32/(Ry+r)]},
де 2,32 – коефіцієнт випрямленої напруги шестиразового випрямляча інвертора (u=2,32uф)

Миттєве значення струму однофазного витоку на ділянці мережі із частотою, яка змінюється:
i''y(n)'(t)=uN(n)(t)·√{[(x2cn-2+r2)/(x2cn-2(Ry+r)2+R2yr2)]+[2,32/(r+Ry)]}.

Позначивши
Y''n=√{[(x2cn-2+r2)/(x2cn-2(Ry+r)2+R2yr2)]+[2,32/(r+Ry)]},
получим
iy''(t)=Um1Y''1sin(ωt+φ1)+Um3Y''3sin(3ωt+φ3)+...+UmnY''nsin(nωt+φn). (18)

Діюче значення струму однофазного витоку на ділянці мережі із частотою, яка змінюється:
Iy=√(U21Y''21+U23Y''23+...+U2nY''2n). (19)

Підставляючи параметри реальної мережі по наведених формулах (17-19) можна обчислити значення струму однофазного витоку 1 кОм на ділянках мережі (таблиця 2).

Неважко переконатися, що відносний рівень гармонік зворотно пропорційній частоті вихідної напруги та має максимальне значення при частоті вихідної напруги, близької до нуля. Крім того, у самому напівперіоді вихідної напруги рівень високочастотних складових змінюється від максимального значення в початковій і кінцевій стадії до мінімального в середині.

Характерні осцилограмми струму витоку, зняті в розподільній мережі сумарною ємністю кабелів 1 мкФ на фазу при вихідній частоті перетворювача 5 і 70 Гц наведені на малюнку 10 і підтверджують вищевикладені розрахунки, з яких видно, що величина струму витоку, обумовлена високочастотною складовою, перевищує по меншої мері у 5 разів струм основної гармоніки, причому при частоті 70 Гц відносне значення високочастотної складової значно нижче, ніж при частоті 5 Гц.

Наведені розрахунки та обґрунтування є вихідними для проектування захистів від витоків струму на землю для розподільних мереж, які містять силові напівпровідникові перетворювачі частоти, які обов'язково повинні враховувати наявність напруги зсуву нейтрали мережі основної гармоніки, регульованої частоти і високочастотної складової, обумовленою роботою ШИМ перетворювача частоти.

Таблиця 3
Параметр Значення при ємності мережі С, мкФ на фазу
0,2 0,4 0,6 0,8 1
1. С незмінною частотою (опору полюсів рівні)
Струм витоку при частоті 50 Гц Iу(1), А 0,109 0,208 0,291 0,356 0,406
Струм витоку Iу, А 0,204 0,275 0,344 0,401 0,446
Iу/Iу(1) 1,868 1,321 1,181 1,126 1,1
2. С незмінною частотою (опори полюсів не рівні)
Струм витоку при частоті 50 Гц Iу(1), A 0,109 0,208 0,291 0,356 0,406
Струм витоку Iу, А 0,308 0,364 0,419 0,468 0,507
Iу/Iу(1) 2,812 1,748 1,441 1,314 1,25
3. Постійного струму при витоку 1 кОм
Опір rn, кОм 30 90 150 250 500
Струм витоку Iу, А 0,051 0,018 0,011 0,007 0,004
4. Із частотою, яка змінюється 50 Гц
Струм витоку при частоті 50 Гц Iу(1), A 0,111 0,21 0,293 0,358 0,408
Струм витоку Iу, А 0,314 0,368 0,422 0,47 0,509
Iу/Iу(1) 2,83 1,749 1,44 1,312 1,248
5. Із частотою, яка змінюється 5 Гц
Струм витоку при частоті 50 Гц Iу(1), A 0,013 0,024 0,035 0,046 0,057
Струм витоку Iу, А 0,113 0,148 0,224 0,249 0,266
Iу/Iу(1) 8,966 7,75 6,448 5,443 4,686
6. Із частотою, яка змінюється 70 Гц
Струм витоку при частоті 50 Гц Iу(1), A 0,172 0,308 0,4 0,459 0,496
Струм витоку Iу, А 0,346 0,431 0,5 0,549 0,581
Iу/Iу(1) 2 1,402 1,254 1,2 1,17

Одним з основних напрямків забезпечення безпеки комбінованих мереж є підвищення швидкодії апарата з обліком того, що апарат захисту буде одночасно впливати на автоматичний вимикач пересувної підстанції, роботу перетворювача частоти та відключати кабельну лінію, що відходить від перетворювача частоти при винесеному варіанті включення.

Осцилограми струму витоку на землю в розподільній мережі при частоті вихідної напруги 5 Гц (а) і 70 Гц (б)
Рисунок 10 – Осцилограми струму витоку на землю в розподільній мережі при частоті вихідної напруги 5 Гц (а) і 70 Гц (б)

Дана структура взаємодії апарата захисту з іншими складовими елементами розподільної мережі, яка містить силові напівпровідникові прилади, дозволить забезпечити необхідну безпеку при її експлуатації.

На базі отриманих результатів розроблена система комплексного захисту від витоків струму на землю для розподільних мереж, що містять силові напівпровідникові перетворювачі частоти, блочно-структурна схема якої наведена на рисунку 11.

Система містить блок контролю опору ізоляції мережі 1; блок компенсації ємнісних складових струмів витоку 2; блок захисного заземлення фази мережі з ушкодженою ізоляцією 3; захисний комутаційний апарат 4, силові контакти якого включені між трансформатором 5 і мережею, яка захищається; силові напівпровідникові елементи 6, включені в мережу через комутаційний апарат 7; блок примусового відключення 8 і короткозамикатель 9, підключений до виходу силових напівпровідникових приладів; блок контролю опору ланки постійного струму 10.

Блочно-структурна схема системи комплексного захисту
Рисунок 11 – Блочно-структурна схема системи комплексного захисту

Принцип роботи захисту полягає в наступному.

При високому опорі ізоляції мережі блок 1 не спрацьовує та не видає команду на відключення комутаційного апарата 4, блоку примусового відключення 8, силових напівпровідникових елементів 6 і другого комутаційного апарата 7. Комутаційні апарати 4 та 7 включені, напруга подається на мережу, у тому числі й на силові напівпровідникові елементи.

У випадку зниження опору ізоляції мережі до силових напівпровідникових елементів блок 1 спрацьовує й замикає свої контакти в контурі пристрою відключення комутаційного апарата 4 й у контурі блоку примусового відключення 8 силових напівпровідникових приладів. При цьому блок компенсації ємнісних складових струмів витоку 2 виконує свої функції після відключення комутаційного апарата 4, а блок захисного заземлення фази мережі з ушкодженою ізоляцією 3 вибирає ушкоджену фазу й шунтує її через невеликий опір, забезпечуючи тим самим безпеку мережі в аварійному режимі.

При виникненні витоку струму на землю в мережі після силових напівпровідникових елементів блок 1 спрацьовує й видає команду на відключення комутаційного апарата 4 і включення блоку 8. Блок примусового відключення 8 видає швидкодіючу команду на запирання силових напівпровідникових елементів 6 і комутаційний апарат 7. Останній спрацьовує та включає короткозамикатель 9, який імпульсно, на час до 1 с, замикає всі три фази між собою, знімаючи тим самим ЕДС вибігу електродвигуна. Мережа при цьому розбивається на дві ділянки та блок 3 при цьому не спрацьовує, а блок 2 виконує свої функції у звичайному штатному режимі. У цьому аварійному режимі мережі також забезпечується повна безпека її експлуатації.

У випадку зниження опору ізоляції мережі до силових напівпровідникових елементів блок 1 спрацьовує та замикає свої контакти в контурі пристрою відключення комутаційного апарата 4 і у контурі блоку примусового відключення 8 силових напівпровідникових приладів. При цьому блок компенсації ємнісних складових струмів витоку 2 виконує свої функції після відключення комутаційного апарата 4, а блок захисного заземлення фази мережі з ушкодженою ізоляцією 3 вибирає ушкоджену фазу та шунтує її через невеликий опір, забезпечуючи тим самим безпеку мережі в аварійному режимі.

Важливою відмінністю пристрою є те, що включення блоку 3 виконується після відключення комутаційного апарата, який включає силові напівпровідникові прилади.

Таким чином, запропонований пристрій забезпечує безпеку експлуатації електричних мереж, які містять силові напівпровідникові прилади, тому що знижує величину короткочасного струму витоку через людину до необхідної величини, обумовленої відповідними стандартами.

Загальний вид апарата АЗУР-4ПП
Рисунок 12 – Загальний вид апарата АЗУР-4ПП

Наведений пристрій реалізований у вигляді апарата захисту від витоків струму на землю типу АЗУР-4ПП, загальний вид якого наведений на рисунку 12 і застосовується у вугільних шахтах для захисту комбінованих розподільних мереж напругою 1140 В, які харчують комбайни с винесеною системою подачі типу УКД-300. Така система захисту безвідмовно експлуатується на шахті «Павлоградская» ГП «Павлоградуголь» більше року та повністю підтвердила надійність і працездатність.

Висновки
  1. Обґрунтовано методику визначення струмів витоку в комбінованих розподільних мережах із силовими перетворювачами частоти, враховуюча як параметри мережі, так і вплив перетворювача на протікання процесів. Показано, що визначальний вплив на значення струму однофазного витоку робить високочастотна складова напруги зсуву нейтралі мережі.
  2. На базі проведених розрахунків та обґрунтувань розроблена система захисту від витоків струму на землю в комбінованих розподільних мережах, які містять силові напівпровідникові перетворювачі частоти, яка враховує наявність напруги зсуву нейтралі мережі основної гармоніки, регульованої частоти та високочастотної складової, обумовленою роботою ШИМ перетворювача частоти.
  3. Апарат АЗУР-4ПП дозволяє роботу як у складі трансформаторних підстанцій, так і самостійно.
  4. Створений апарат захисту комбінованих мереж АЗУР-4ПП дозволяє поряд із забезпеченням безпечної експлуатації істотно знизити вартість системи електропостачання комбайна за рахунок виключення додаткової підстанції.
Список літератури
  1. Колосюк В.П. Защитное отключение рудничных электроустановок. – М.: Недра, 1980. – 334 с.
  2. Киампо Е.М., Коровкин В.А. Токи утечки в комбинированной электрической сети горных машин // Изв. вузов. Горный журнал. – 1986. – N2. – С. 97-99.
  3. Белошистов А.И., Савицкий В.Н. Проблемы защиты от утечек тока на землю распределительных сетей угольных шахт, содержащих силовые полупроводниковые элементы // Взрывозащищенное электрооборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ. – Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд», 2004. – С. 78-83.
  4. Колосюк В.П., Товстик Ю.В. Токи утечки на землю в системе электроснабжения комбайнов с регулируемым приводом // Уголь Украины. – 2005. – N6. – С. 35-39.
  5. Щуцкий В.И., Савицкий В.Н. Эквивалентные схемы распределительных сетей при однофазных замыканиях на землю // Применение напряжения 10 кВ на горных предприятиях: Сб. науч. тр. ВНИИВЭ Донецк. – 1985. – С. 71-81.
  6. Бессонов П.А. Теоретические основы электротехники. – М.: Высшая школа, 1973. – 752 с.
Головна : : Статті : : Захист від струмів витоку в комбінованих розподільних...
Україна, м. Донецьк,
вул. 50-й Гвардійської дивізії, 17
тел.: +380 62 382-93-53
Рейтинг@Mail.ru Інформаційно-розважальний портал КомерСайт .Рейтинг сайтів регіону Украинский портАл Украина-Сегодня: Каталог сайтов Яндекс цитирования Украина онлайн Rambler Top100 Rambler's Top100 Б И З Н Е С - И Н Ф О Р М -  Каталог фирм, организаций, товаров и услуг Украины Valid XHTML 1.1