Введение к работе
Актуальность темы. Многие отрасли промышленности, такие как чёрная и цветная металлургия, энергетика, перерабатывающий и строительный сектор, в той или иной мере, зависят от положения дел в сфере добычи полезных ископаемых. За последнее десятилетие горнодобывающая промышленность России стала одним из наиболее динамично развивающихся секторов экономики. Сохранение, а тем более увеличение инвестиционной привлекательности добывающей отрасли, невозможно без развития её материально-технической базы, снижения производственных издержек и применения современных решений в области автоматизации и контроля систем управления электротехническими комплексами.
На сегодняшний день на большинстве предприятий добывающего сектора наблюдается значительный рост отказов оборудования и механизмов, задействованных на добыче и транспортировании полезных ископаемых. Более половины из общего числа отказов связаны с повреждением электрооборудования горных машин, выходом из строя электродвигателей, систем управления главными приводами и т.д. Выход из строя любого из электродвигателей вспомогательных приводов приводит к остановке всего комплекса. Такое резкое увеличение потока отказов обуславливается значительным износом всех типов карьерных, шагающих и роторных экскаваторов, средний срок службы которых превышает в 1,5-2 раза нормативные сроки эксплуатации. Отличительной чертой отрасли является большая капиталоёмкость проводимых модернизаций, что значительно увеличивает время замены выработавшего свой ресурс оборудования на новое, которое в кризисном состоянии экономики рассчитано на 10-15 лет. А это означает, что и в ближайшие десятилетия горнодобывающим предприятиям придётся поддерживать в работоспособном состоянии изношенный парк добычных машин, что делает актуальной проблему повышения эффективности использования электрооборудования технологических комплексов, применяемых на открытых горных работах.
На сегодняшний день электродвигатели снабжены общепромышленными видами защит от перегрузки, коротких замыканий, однофазных замыканий, которые не способны реагировать в ряде случаев на несимметричные (в частности, на неполно фазные) режимы работы.
Промышленностью выпускаются защитные устройства от несимметричных режимов работы, выполненные на базе пассивных и активных элементов. Однако их установка регламентирована лишь в порядке исключении: для асинхронных двигателей (АД), защищенных предохранителями и не имеющих защиты от перегрузки, если двухфазный режим ведёт к выходу АД из строя с особо тяжёлыми последствиями. Одним из основных элементов защитного устройства от неполнофазных режимов работы является чувствительный элемент -фильтр напряжения или тока обратной последовательности. Схемы защиты с применением этих фильтров, по сравнению с простыми токовыми защитами,
имеют то преимущество, что они реагируют не только на количественные, но и на качественные изменения электрических параметров защищаемой установки. Однако необходимость измерения токов у каждого АД технологического комплекса сводит на нет использование таких защит. Препятствием расширенного применения защиты с использованием фильтров тока являются существенные недостатки трансформаторов тока (ТТ) - высокие значения массы, размеров и стоимости этих измерительных преобразователей тока (ИПТ).
Таким образом, имеется необходимость в создании комплексных, многофункциональных защит и диагностических систем, одним из основных элементов которых являются ИПТ, свободные от указанных недостатков ТТ.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование таких ИПТ, входящих в устройства релейной защиты электроустановок горных предприятий, в частности защиты от неполнофазных режимов работы, которые путём замены ТТ на дифференцирующие индукционные преобразователи тока (ДИПТ) обеспечивают повышение точности и снижение массогабаритных показателей этих устройств.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Исследование характерных режимов работы основных электроприёмников, используемых при добыче полезных ископаемых открытым способом.
Сравнительный анализ ИПТ трансформаторного типа с целью выявления возможности и целесообразности замены ТТ на ДИПТ в электрических сетях горнодобывающих предприятий.
Синтез пяти- и двухэлементных фильтров напряжения обратной последовательности (ФНОП), входящих наряду с ДИПТ в состав измерительных преобразователей тока обратной последовательности (ИПТОП).
Обоснование выбора таких параметров элементов, входящих в состав ИПТОП, при которых обеспечивается минимум суммы их расчётных мощностей. Создание методики расчёта ИПТОП, выполненных на основе ДИПТ.
Исследование тех переходных процессов в ФНОП, входящих в состав ИПТОП и подключённых как к ТТ, так и к ДИПТ, которые происходят при включении нагрузки на источник напряжения и при обрыве одной фазы питающей линии.
Анализ результатов компьютерного моделирования переходных процессов, возникающих в асинхронном электроприводе насоса при подключении асинхронного двигателя (АД) к сети и при переходе его к неполнофазному режиму питания.
6. Разработка методики расчёта параметров катушек ДИПТ, которые
предназначены для подключения к защите электрических комплексов, рабо
тающих при напряжении 6-35 кВ.
Объектом исследований является система защиты электротехнических комплексов на открытых горных работах. Предметом исследований - эффективность новых разновидностей этой системы при широком использовании в ней дифференцирующих индукционных преобразователей тока.
Методы исследований. При решении поставленных задач использованы положения теоретической электротехники, в частности топологических методов анализа электрических цепей, электрических машин, автоматики электроэнергетических систем, методы численного анализа и математической обработки результатов, а также математического моделирования с применением программ Maple 12 и Simulink пакета MATLAB.
Достоверность полученных научных результатов подтверждается строгим обоснованием расчетных методик и принимаемых допущений, корректным применением современных методов научных исследований, а также подтверждается близостью теоретических результатов с данными, полученными при использовании средств для моделирования и анализа динамических систем.
Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:
Выполнен синтез и анализ нескольких вариантов ИПТОП (для трёх- и четырёхпроводных линий передачи, с одинаковыми и различными ДИПТ). При этом новая структура ФНОП и новые соотношения между параметрами элементов, входящих в состав ИПТОП, найдены с учётом внутренних сопротивлений ДИПТ как источников, ЭДС которых пропорциональны не измеряемым токам, а их производным. В частности, для ИПТОП с одинаковыми ДИПТ в состав ФНОП вошли не четыре, как у ранее известных ФНОП, а пять элементов.
Для каждого элемента ИПТОП найдены значения тока, напряжения и расчётной мощности, в каждом из различных установившихся режимов защищаемого устройства: токи нагрузки образуют только прямую последовательность или один, любой, провод питающей линии оборван. И для каждого элемента определён режим, в котором его расчётная мощность максимальна.
Разработана методика выбора параметров ИПТОП, согласно которой выбираются такие параметры ИПТОП, при которых достигается минимум суммы указанных в предыдущем пункте максимальных мощностей элементов ИПТОП.
Исследованы переходные процессы, возникающие в ИПТОП при подключении связанной с ним активно-индуктивной нагрузки к сети с напряжениями, образующими только прямую последовательность, и в случаях, когда один, любой, провод питающей линии оборван. Для каждого такого режима выполнена оценка максимума и продолжительности отклонения выходного напряжения ИПТОП от его напряжения, которое имеет место после окончания переходных процессов в нагрузке и в ФНОП. Установлено, что полученные оценки близки к тем, что найдены при компьютерном моделировании переходных процессов, возникающих в асинхронном электроприводе при подключении АД к сети и при переходе его к неполнофазному режиму питания.
Разработана методика выбора параметров катушки ДИПТ, которая охватывает проходной изолятор и предназначена для сетей с напряжением 6-35 кВ. Эта методика обеспечивает минимизацию массы, индуктивности и активного сопротивления проектируемой катушки.
Практическая ценность работы состоит в решении важной прикладной задачи, связанной с увеличением надёжности и эффективности работы асинхронных электроприводов технологических комплексов, используемых для добычи полезных ископаемых открытым способом, с исключением повреждений АД этих комплексов от работы в неполнофазных режимах питания.
Предлагаемые миниатюрные ДИПТ, в отличие от громоздких ТТ, можно устанавливать в сочетании с разработанными малогабаритными ФНОП, как в новых, так и в давно находящихся в эксплуатации технологических комплексах. Релейная защита, основанная на применении образуемых указанным сочетанием новых ИПТОП, превосходит аналогичную защиту, выполненную на базе ТТ, не только по массогабаритным показателям, но также по чувствительности и быстродействию.
Положения, выносимые на защиту:
Принципиальные схемы и принцип действия ИПТОП для трёх- и четы-рёхпроводных линий передачи, с одинаковыми и различными ДИПТ.
Методика расчёта параметров ИПТОП, выполненных на базе ДИПТ и предназначенных для подключения к входам электромеханических или/и микропроцессорных реле.
Результаты исследования переходных процессов, возникающих в ИПТОП при подключении связанной с ним активно-индуктивной нагрузки или АД к сети с напряжениями, образующими только прямую последовательность, и в случаях, когда один провод питающей линии оборван или обрывается во время работы АД.
Методика расчёта параметров катушек ДИПТ для использования в электрических сетях с напряжением от 6 до 35 кВ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на восьмой международной ежегодной конференции и выставке «Russia Power 2010», Москва;
международном научном симпозиуме «Неделя горняка-2007», Москва;
Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов и молодых учёных в области энергосбережения в промышленности «Эврика-2010», Новочеркасск;
Всероссийском смотре-конкурсе инновационных идей в области энергосбережения и энергоэффективности «Flylab», Санкт-Петербург, 2009;
пятой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов», г. Благовещенск, 2008;
на полуфинале конкурса инновационных проектов «Зворыкинская премия», Москва, 2010;
на региональных научных конференциях «Молодежь и научно-технический прогресс», 2006-2008 гг., а также на научно-технических конференциях ДВГТУ «Вологдинские чтения», 2004-2010 гг., г. Владивосток.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 38 печатных работах (основные из них приведены в списке публикаций), в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК, - 14 и одном патенте.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, включающего 149 наименований, и четырёх приложений. Работа изложена на 212 страницах, содержит 51 рисунок и 10 таблиц.
