ВІД РОЗРОБКИ ДО ВПРОВАДЖЕННЯ

Головна : : Статті : : Спрощена фізична модель дуги міжфазного короткого замикання...

Ф.А. Айдаров, В.І. Задорожний

Спрощена фізична модель дуги міжфазного короткого замикання в рудничних електроустановках

Постановка проблеми. При розробці та випробуваннях вибухозахищених апаратів найчастіше встають питання оцінки впливу електричної дуги на різні характеристики, наприклад, на уставки захисту від струму короткого замикання (КЗ), на методи випробувань захисту від витоків струму на землю та інші.

Аналіз публікацій

З літературних джерел [1; А.С.Майкопар, 1965] випливає, що міжфазна електрична дуга – складний елемент електричного ланцюга, який не описується простими закономірностями. Використання відомих досить простих формул, як наприклад: Rδ=10,5·L/IK.3 (Ом), де L – довжина стовпа дуги (см); IK.3 – діюче значення струму КЗ (А); 10,5 – коефіцієнт пропорційності або так званий градієнт напруги на дузі (В/см), стосовно до рудничного електрообладнання не представляється можливим через її вірогідність лише при великій довжині дугового стовпа, а у випадку горіння дуги в оболонці вибухозахищеного апарата відстань між струмоведучими частинами не перевищує 60 мм і на напругу дуги основний вплив роблять білякатодне та біляанодне спадання напруги.

Введення в розрахунок ланцюга КЗ активного опору 0,015...0,03 Ом відповідно до методу, відбитому в будівельних нормах СН 357-77, а також облік впливу дуги по методу, запропонованому в [1], який розроблений при деяких надмірних допущеннях, не забезпечують достатню вірогідність результатів, тому що не враховують нелінійний характер опору дуги.

Ціль статті. Провести натурні експериментальні дослідження в реальній мережі напругою 6 кВ, щоб скласти наближене уявлення про форму та значення струму і напруги в міжфазній дузі та на базі отриманих результатів розробити її спрощену фізичну модель для економії електроенергії та зниження трудомісткості експериментів і випробувань.

Результати досліджень

Була зібрана електроустановка напругою 6 кВ, електрична схема якої наведена на рисунку 1. Для виключення впливу струму КЗ при проведенні експерименту на роботу інших електроустановок підприємства напруга 6 кВ на короткозамкнену ділянку подавалася від розділового трансформатора потужністю 630 кВА (типу ТСШВ) через КРУ В1 (типу КРУВ-6) і контактор К (типу КВТ-10-400).

Електрична схема установки для досліджень струмів дугового КЗ
Рисунок 1 – Електрична схема установки для досліджень струмів дугового КЗ

Відкрите дугове КЗ збуджувалося між мідними електродами в оболонці обмеженого обсягу з відкритою кришкою за допомогою тонкого мідного дротика. Послідовність комутацій була наступною: спочатку включався ВI, а потім контактор К на заздалегідь замкнутий ланцюг; під дією струму КЗ спрацьовували максимальні струмові реле К1 і К2, В1 відключався, а через якийсь час після цього відключався і контактор К. Струм у ланцюзі КЗ обмежувався активним опором R і осцилографувався через трансформатори струму ТТ1,ТТ2 (типу ТОЛК-605,600/5), а напруга на дуговому проміжку – через трансформатор напруги Тр2 (типу НОЛ-605,6000/100). Конденсатори С служили для імітації ємності кабельної лінії щодо землі. Тривалість існування КЗ визначалася сумарним часом роботи реле К1 (К2) і вимикача В1 і рівнялася 60...80 мс. Відстань між електродами змінювалася в межах 20...200 см, а струм регулювався в межах 200...1300 А.

Закрите дугове замикання збуджувалося при включенні шматків високовольтних кабелів типу СБ, ЭВТ, АСБ, які приєднувалися до мережі замість мідних електродів. Ушкодження імітувалося свердлінням отвору діаметром 1...2 мм у кабелі і його зволоженні перед досвідом. Місце ушкодження закривалося саморобною муфтою, яка заливалася бітумом.

Типові осцилограми струму в ланцюзі та напруги на дуговому проміжку при двофазному дуговому КЗ між мідними жилами кабелю наведені на рисунку 2,а. Аналіз осцилограми показує, що при інтенсивної деіонизації дугового проміжку напруга на дузі характеризується значними піками напруги запалювання Uδ, яке в цьому випадку досягає 2200 В. Після пробою напруга на проміжку знижується до напруги горіння дуги, рівного 180 В, яке залишається постійним до наступного моменту переходу струму через нуль.

Осцилограми струму в ланцюзі та напруги на дуговому проміжку при двофазному дуговому КЗ
Рисунок 2 – Осцилограми струму в ланцюзі та напруги на дуговому проміжку при двофазному дуговому КЗ
а)між жилами кабелю типу СБ у мережі напругою 6 кВ;
б)у мережі напругою 380 В

На рисунку 2,б наведена осцилограма струму КЗ і напруги на дуговому проміжку, знята в мережі 380 В при струмі 140 А і практично при активному опорі ланцюга КЗ. Як треба з осцилограми, після переходу струму через нуль (t1) напруга, яка прикладається до проміжку, також дорівнює нулю і струм у ланцюзі відсутній до моменту (t2, коли напруга на проміжку досягає значення, при якому проміжок пробивається (у цьому випадку 180 В).

Кут α при цьому приблизно дорівнює 30 градусів. Сукупності середніх значень напруги горіння дуги за кожен напівперіод протягом 0,08 с, визначені в результаті обробки осцилограм 10 досвідів, проведених при різних струмах та відстані між електродами (позначені крапками) і в кабелі (позначені трикутниками), наведені на рисунку 3. Верхня границя зміни напруги горіння дуги за час, рівний 0,04 с (нормований час дії максимального струмового захисту) визначалося по методу контрольних карт Шухарта [2]: Uδ.макс= Uδ.ср+A·U’δi
де А – коефіцієнт для границь зміни напруги горіння дуги, що залежить від обсягу вибірок;
Uδ.ср – середнє значення напруги горіння дуги протягом 0,04 с;
Uδi – розмах варіювання напруги горіння дуги при даному числі вибірок.

Коефіцієнт А залежить від обсягу та числа вибірок. У цьому випадку число вибірок (К) дорівнювало 4, тому що вибірки робилися через кожні 10 мс протягом 0,04 с. Обсяг вибірок дорівнює 10 (по кількості досвідів), тому А = 0,308.

Сукупності середніх значень напруги горіння дуги за кожен напівперіод
..... – відкрита дуга, Δ – дуга між жилами кабелю,
1 и 2 – верхні границі напруги горіння відповідно відкритої дуги та дуги між жилами кабелю

Рисунок 3 – Сукупності середніх значень напруги горіння дуги за кожен напівперіод

Середнє значення напруги горіння дуги визначається по формулі: Uδ.ср=K-1ΣikUδ.ср.i
де К – число вибірок;
Uδ.ср.i – середнє значення напруги горіння дуги в i-тої вибірці, В.

Чисельне значення Uδ.ср для відкритої дуги дорівнює: Uδ.ср=(280 + 340 + 335 + 360)/4 = 328 В.

Середній розмах варіювання напруги горіння дуги при даному числі вибірок визначається по формулі: U'δ.i = K-1ΣikUδ.i
де Uδ.i – розмах варіювання напруги горіння дуги i-тої вибірки, В.

Значення U'δ.i для відкритої дуги дорівнює: U'δ.i = (560 + 680 + 670 + 720 ) / 4 = 657 В.

Звідси верхня границя зміни напруги горіння відкритої дуги дорівнює: U'δ.макс = 328 + 0,308 · 657 = 530 В і зображена прямою 1 на рисунку 3.

Аналогічним способом визначалася верхня границя зміни напруги горіння закритої дуги, яка дорівнює 250 В (пряма 2).

З достатньої для практичних цілей точністю можна вважати, що при дуговому КЗ у кабельній мережі 6 кВ напруга горіння дуги постійна й дорівнює 530 В для відкритої дуги та 250 В для закритої дуги, а вольтамперна характеристика дуги зображується прямою, яка паралельна осі струму.

Як випливає з характеру осцилограм і результатів їхньої обробки, на амплітуду струму дуга впливає; більше помітний і короткочасний вплив виявляється в момент переходу струму через нуль. Істотні зміни спостерігаються у формі напруги на дузі, де має місце явний зріз верхньої частини синусоїди, випереджає короткочасним імпульсом напруги. Цей «кидок» імпульсу характеризує напругу пробою повітряного проміжку, а «полка» – напруга, яка псевдоустановилася, на дузі протягом напівперіоду.

Наступний напівперіод починається аналогічно: «кидок» – «полка», але в протилежному напрямку.

Аналіз показав, що приблизно такий же характер струму та напруги можна одержати за допомогою електричної схеми, наведеної на рисунку 4. Вона містить ланцюг, яки включає у себе лінійну індуктивність L і активний опір R, два зустрічно-паралельно включених тиристора VS1 і VS2, в анодний ланцюг кожного з яких включено по стабілітрону VD1 і VD2, послідовно з'єднані діод VD3 та стабілітрон VD4 (діод VD5 і стабілітрон VD6), включені між керуючим електродом тиристора VS1 і катодом тиристора VS2 (між керуючим електродом тиристора VS2 і катодом тиристора VS1). Зустрічно-паралельні тиристори VS1 і VS2 зі стабілітронами, відповідно, VD1 і VD2 в анодних ланцюгах. Отримана таким чином фізична модель працює таким чином.

При напрузі на вторинній обмотці автотрансформатора Тр1, меншої напруги пробою стабілітрона VD4 (VD6), струм у ланцюзі керування, а значить й у ланцюзі анод-катод тиристора VS1 (VS2), не протікає, тому що стабілітрон VD4 (VD6) закритий, а робоча напруга тиристорів обрана більш максимально можливої напруги, яка знімається із вторинної обмотки автотрансформатора Тр1.

Електрична схема спрощеної моделі міжфазної дуги КЗ
Рисунок 4 — Електрична схема спрощеної моделі міжфазної дуги КЗ

Напруга стабілізації стабілітронів VD4 і VD6 імітує напругу запалювання дуги (Uзаж). Включаючи в пристрій стабілітрони VD4 і VD6 с різною напругою стабілізації, домагаються різної амплітуди Uзаж.

Напруга стабілізації стабілітронів VD1 і VD2 імітує напругу горіння дуги (Uδ). Як показують експериментальні дослідження, ця напруга менше напруги запалювання, тому напруга стабілізації стабілітронів VD1 і VD2 вибирається менше напруги стабілізації стабілітронів VD4 і VD6. Включаючи в пристрій стабілітрони VD1 і VD2 с різною напругою стабілізації, домагаються різного значення напруги горіння дуги.

При досягненні напругою на стабілітроні VD4 (VD6) значення, рівного напрузі його пробою (Uзаж), у ланцюзі керуючого електрода тиристора VS1(VS2) протікає імпульс струму. Тиристор VS1(VS2) відкривається, тому що напруга стабілізації стабілітрона VD1(VD2) менше напруги стабілізації стабілітрона VD4(VD6), і струм замикання протікає через перехід анод-катод VD4(VD6). При цьому напруга на дузі, яка імітується, зменшується до напруги горіння (Uδ), рівної напрузі стабілізації стабілітрона VD4 (VD6).

На рисунку 5 наведені осцилограми струму та напруги, отримані за допомогою запропонованого пристрою. Як випливає з осцилограм, характер зміни струму КЗ і напруги на відкрито палаючій дузі (рисунок 5,а ) і на закрито палаючій дузі (рисунок 5,б) аналогічний характеру цих величин, отриманих на макеті мережі 6 кВ (див. рисунок 2).

Осцилограми струму дугового КЗ і напруги на дузі
Рисунок 5 — Осцилограми струму дугового КЗ і напруги на дузі
а) відкрита дуга, б) закрита дуга

Висновки

Спрощена схема фізичної моделі міжфазної дуги виробляє струм і напругу, приблизно схожі за формою зі струмом і напругою, отриманою експериментально у відособленій мережі напругою 6 кВ с ізольованою нейтраллю, і може служити вихідним матеріалом для доповнення наявних стендів на лінійних елементах – аналогах параметрів мережі – новим тиристорно-стабілітронним вузлом.

Це може спростити дослідницькі випробування та знизити витрати засобів та електроенергії на порушення реальних міжфазних дуг у потужних енергетичних установках.

Список літератури
  1. Ихно В.А., Паркесов В.Г., Денник В.Ф. Влияние дуговых замыканий на измерительные органы средств защиты // Комплексы взрывозащищенного электрооборудования (разработка и исследование): Сб. науч. тр.- ВНИИВЭ.- Донецк, 1980. - Вып.5 - С. 56-60.
  2. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке. Методы обработки данных: Пер. с англ.- М.: Мир, 1980. - 610 с.
Головна : : Статті : : Спрощена фізична модель дуги міжфазного короткого замикання...
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