Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ 9.\
1.1. Понятие о шахтной участковой электрической сети переменного тока изменяющейся частоты
1.2. Обзорный анализ основных исследований токов утечки и условий работы устройств защитного отключения в шахтных комбинированных сетях
1.3. Обзорный анализ основных методов и устройств защиты
от утечек тока в шахтных комбинированных сетях .$?.-.
1.3.1. Оценка возможности применения устройств защитного отключения, предназначенных для сети переменного тока промышленной частоты, в комбинированной сети &Q
1.3.2. Методы и средства защиты от утечек тока для шахтных комбинированных сетей...
1.4. Постановка задачи исследований Щ,.
ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ РАБОТЫ УСТРОЙСТВА ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ И ТОКОВ УТЕЧКИ В СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ
2.1. Методика экспериментального исследования условий работы устройства защитного отключения 5.0..
2. 2. Результаты исследования и обработка экспериментальных данных ...
2.3. Анализ результатов экспериментального исследования 85..
2.4. Выводы 92..
ГЛАВА 3. АНАЖТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОВ ОДНОФАЗНОЙ УТЕЧКИ В
ШАХТНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ
3.1. Схема замещения шахтной электрической сети переменного тока" изменяющейся частоты и обоснование
І02.
ее параметров
3.2. Исследование токов однофазной утечки в установив
шемся режиме при ее возникновении на участке пере
менного тока изменяющейся частоты в сети с
изолированной нейтралью /Чт
3.3 Исследование токов однофазной утечки в установившемся режиме при ее возникновении на участке переменного тока изменяющейся частоты в сети с компен-
124
сированнои нейтралью !?1.
3.4. Выводы , 'т7.
ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ДЛЯ ШАХТНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ Ш.
4.1. Разработка алгоритма работы и структурной схемы устройства защитного отключения ПІ.
4.2. Аналитическое исследование рабочего контура устройства защитного отключения '?!
4.3. Разработка и исследование основных узлов устройства защитного отключения (*?.
4.3.1. Разработка и исследование источника оперативного
тока
4.3.2. Разработка и исследование перестраиваемого фильтра 1??.
4.4. Разработка принципиальной схемы устройства защитного отключения f?(.
4.5. Выводы '??.
ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА ЗАЩИТНОГО
ОТКЛЮЧЕНИЯ ДЛЯ ШАХТНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИССЛЕДОВАНИЯ
5.1. Методика и стенд для экспериментального исследования устройства защитного отключения 19.3..
5.2. Результаты экспериментального- исследования устройства защитного отключения и их анализ $$.
5.3. Реализация результатов исследования устройства защитного отключения для шахтной электрической
сети переменного тока изменяющейся частоты %М.
5.4. Выводы 2Д.
Заключение %%?.
Список использованных источников ДЗД
Приложения. <#?.
- Понятие о шахтной участковой электрической сети переменного тока изменяющейся частоты
- Методика экспериментального исследования условий работы устройства защитного отключения
- Схема замещения шахтной электрической сети переменного тока" изменяющейся частоты и обоснование
- Разработка алгоритма работы и структурной схемы устройства защитного отключения
- Методика и стенд для экспериментального исследования устройства защитного отключения
Введение к работе
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА
ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ 9.\
Понятие о шахтной участковой электрической сети переменного тока изменяющейся частоты Ш ..
Обзорный анализ основных исследований токов утечки и условий работы устройств защитного отключения в шахтных комбинированных сетях
1.3. Обзорный анализ основных методов и устройств защиты от утечек тока в шахтных комбинированных сетях .$?.-.
1.3.1. Оценка возможности применения устройств защит ного отключения, предназначенных для сети перемен ного тока промышленной частоты, в комбинированной сети &Q. .
1.3.2. Методы и средства защиты от утечек тока для шахт ных комбинированных сетей............
1.4. Постановка задачи исследований Щ,.
Понятие о шахтной участковой электрической сети переменного тока изменяющейся частоты
Интенсивное развитие горнодобывающей промышленности - рост добычи угля, руд черных, цветных и редких металлов и других полезных ископаемых - связано с концентрацией горных работ и увеличением суточной нагрузки на очистной забой, что достигается в настоящее время в основном увеличением энерговооруженности оборудования [33]. Основными потребителями электроэнергии на добычных участках угольных шахт являются очистные комбайны и скребковые забойные конвейеры механизированных комплексов, установленная мощность асинхронных электродвигателей (АД) которых составляет 320-450 кВт с перспективой дальнейшего повышения до 500-800 кВт. Суммарная мощность асинхронных приводов проходческих многодвигательных комбайнов на подготовительных участках уже сейчас доходит до 500 кВт и выше [33].
Однако увеличение производительности машин за счет повышения установленной мощности электродвигателей имеет свои пределы, так как электродвигатели комбайнов имеют ограниченные габариты из-за стесненных условий работы горного оборудования в выработках.Кроме того, дальнейшее увеличение установленной мощности электропривода из-за "слабой" шахтной сети практически не приводит к увеличению производительности очистных комбайнов [47].
Одним из методов повышения мощности электродвигателя комбайна является питание АД переменным током, частота которого выше номинальной (50 Гц), от специального преобразователя частоты (ПЧ). В этом случае, изменяя частоту питающего АД напряжения до 100 Гц, можно увеличить отдаваемую им мощность в 1.5-2 раза. Однако применение этого метода требует разработки специальных электродвигателей.
Другим эффективным методом повышения производительности комбайна является автоматическое управление режимом его работы. В [47] показано, что наибольшую производительность комбайна при максимальном использовании габаритной мощности АД резания можно получить в том случае, если поддерживать постоянным ток электродвигателя резания комбайна путем изменения скорости перемещения комбайна с помощью регулируемого электропривода механизма подачи.
Анализ известных типов регулируемых приводов подачи [47] показал, что наиболее перспективным является частотно-регулируемый асинхронный электропривод (ЧРЭП) или электропривод системы "преобразователь частоты - асинхронный двигатель" (ПЧ-АД).
Упрощенная электрическая схема шахтной участковой сети с выемочным комбайном представлена на рис.1.1.
Схема включает участковый трансформатор ТІ 6/0,66(1.14) кВ, от которого питаются п двигателей АД .-.АДд различных потребителей (насосы, маслостанции, конвейеры и т.д.), преобразователь частоты ПЧ и электродвигатель резания АДР. ПЧ состоит из последовательно соединенных понижающего трансформатора Т2, управляемого выпрямителя УВ, фильтра звена постоянного тока Ф, инвертора И и кабеля К, соединяющего ПЧ с электродвигателем подачи АДП. Очевидно, что участковое реле утечки У301, присоединенное на выходе трансформатора ТІ, защищает
\ кабельную сеть с электродвигателями АДІ АДП и АДр и не защищает
гальванически не связанную с ней сеть " вторичная обмотка трансформатора Т2-УВ-Ф-И-К-АДП".
Методика экспериментального исследования условий работы устройства защитного отключения
Из анализа литературных данных следует, что процессы в цепях утечки в сети переменного тока изменяющейся частоты имеют сложный характер и их аналитическое исследование достаточно затруднено. Токи однофазной утечки в сети с ПЧ имеют сложную периодическую форму. Протекая в рабочем контуре ИОТ УЗО, т.е. в цепи контроля сопротивления изоляции кабеля, эти токи накладываются на оперативный ток ИОТ, что может привести к неработоспособности УЗО. Это требует их детального анализа, результаты которого должны быть учтены при разработке УЗО. Кроме того, в [11,12,13,15,42,43,50] установлено, что помехи, наводимые в контрольных и заземляющей жилах силового гибкого кабеля при работе тиристорного ПЧ, являются не только искроопасными, но и оказывают значительное влияние на функциональную надежность цепей управления, контроля и защиты, создавая, в частности, сбои в работе УЗО. Физической природой этого влияния являются электрическая и частично магнитная связи. Из-за сложности электромагнитных процессов, происходящих при коммутации силовых тиристоров конкретных типов ПЧ, расчеты электрических величин импульсных помех являются приближенными. Поэтому в задачу данного исследования входит экспериментальное определение -характера и величины помех, наводимых в заземляющей жиле, для различных режимов работы ЧРЭП и параметров силового кабеля.
В связи с вышеизложенным первоначально было проведено экспериментальное исследование условий работы УЗО и токов утечки на полноразмерном стенде, представляющем участок шахтной сети(рис.2.1).
Рис. 2.1. включающий последовательно соединенные силовой трансформатор TV, преобразовательную станцию ПС-і [58] UF, содержащую управляемый выпрямитель UD с LC - фильтром и автономный инвертор напряжения UZ и подключенную с помощью кабеля к асинхронному электродвигателю М. Электродвигатель механически связан с генератором постоянного тока G, якорь которого нагружен переменным сопротивлением RH. Параметры силового оборудования представлены в табл. 2.1 и соответствуют частотно-регулируемому электроприводу механизма подачи комбайна КШ1КГУЭ. Моделирование параметров изоляции кабельной сети между UF и М осуществлялось с помощью дискретного набора сопротивлений и емкостей. Наборы конденсаторов CAVCBV, Ccv с максимальной емкостью 0,22 мкФ/фазу имитировали емкости отдельных фаз УИЧ относительно земли, а наборы резисторов RAV-RBV RCV С максимальным сопротивлением 1 МОм/фазу - активное сопротивление изоляции фаз УИЧ относительно земли. Сопротивления Ед, RB, Rc# RAV, RBV, Rcv no Ю0 кОм применялись для осциллографирования фазных напряжений соответственно до и после ПС-1. Сопротивление RyT имитировало активное сопротивление однофазной утечки і КОМ.
Для регистрации электрических процессов в исследуемой сети были использованы: светолучевой осциллограф PG1 типа Н145 , электроннолучевой осциллограф PG2 типа С1-69 и магазин шунтов и добавочных сопротивлений типа Р157. Измерение действующих значений токов утечки и фазных напряжений до и после ПС-1 осуществлялось с помощью миллиамперметров электромагнитной системы РА1 с диапазонами измерения 0-100 мА и 0-500 мА и вольтметров электромагнитной системы PV1 и PV2 с диапазоном измерения 0-750 В.
class3 АНАЖТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТОКОВ ОДНОФАЗНОЙ УТЕЧКИ В
ШАХТНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ class3
Схема замещения шахтной электрической сети переменного тока" изменяющейся частоты и обоснование
Анализ литературных источников, приведенный в главе 1, показывает, что в настоящее время существуют методы расчета токов однофазной (однополюсной) утечки в шахтных электрических комбинированных сетях при ее возникновении на участках переменного тока промышленной частоты, постоянного выпрямленного тока и переменного тока изменяющейся частоты. Однако в них не учитывается спектральный состав напряжения на выходе ПЧ.
В главе 2 в результате экспериментального исследования условий работы УЗО в СИЧ было установлено, что в спектре UBbIX пч независимо от параметров кабельной сети, частоты ПЧ и мощности нагрузки помимо основной гармоники присутствуют и высшие гармонические составляющие. При этом преобладают 5-я и 7-я гармоники, удельный вес которых в спектре высок, а амплитуды гармоник, номера которых равны 9 и выше, не превышают 1% от амплитуды основной гармоники спектра ивых пч и уменьшаются с увеличением порядка высших гармонических составляющих. Кроме того, было показано, что полученные в результате измерения действующие значения 1ут на участке переменного тока изменяющейся частоты исследуемой СИЧ при tU4 A5 Гц выше токов утечки на двух других ее участках при одних и тех же условиях. Это подчеркивает повышенную опасность поражения человека при его возможном прикосновении к токоведущим частям оборудования на УИЧ.
В связи с вышеизложенным и в соответствии с общей задачей исследования, поставленной в работе, в настоящей главе проведено аналитическое исследование токов однофазной утечки на землю в шахтной электрической сети переменного тока изменяющейся частоты при возникновении утечки на УИЧ.
При выводе аналитических зависимостей токов однофазной утечки принимаем ряд общепринятых допущений [33,35,46,62,64,67,77]: параметры СИЧ (рис.1.2) относительно земли (емкости и активные проводимости фаз) являются не распределенными, а сосредоточенными; активные сопротивления и индуктивности фазных проводников СИЧ, а также цепи заземления равны нулю; активные проводимости изоляции и емкости сети на УПЧ и УПТ равны нулю, т.е. RA=RB=RC=R+=R_= « и СА=Св=Сс=С+=С_=0, что следует- из определения СИЧ, данного в главе 1; разделительный трансформатор TV2, силовые полупроводниковые приборы УВ и И (тиристоры, диоды) идеальны; все параметры кабельной сети на УИЧ линейны, что позволяет при расчетах токов утечки применить принцип наложения; проводимости УЗО учитываются в проводимостях фаз сети.
Кроме того, на основании экспериментального исследования условий работы УЗО в СИЧ принимаем, что в спектре ивыхПЧ независимо от параметров силового кабеля на УИЧ, частоты иВЬ1Х пч и мощности нагрузки, питаемой ПС-1, присутствуют кроме основной только 3-я, 5-я, 7-я и 9-я гармоники, а остальными высшими гармоническими составляющими (11-ой и выше) пренебрегаем в виду того, что их амплитуды составляют величину, меньшую 0,76% амплитуды основной гармоники напряжения на выходе ПЧ. При этом ампжтуды присутствующих в.пч гармоник изменяются пропорционально частоте ПЧ и в соотношениях, приведенных в табл. 2.5. Так, при изменении Гпч от 2 до 50 Гц амплитуда 1-ой гармоники изменяется пропорционально ґпч от 20 до 472 - В. При дальнейшем увеличении fn4 амплитуда 1-ой гармоники не изменяется.
class4 РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ДЛЯ ШАХТНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ class4
Разработка алгоритма работы и структурной схемы устройства защитного отключения
Ранее было установлено, что особенности СИЧ по тем или иным причинам оказывают отрицательное влияние на работоспособность серийно выпускаемых УЗО, использующих различные принципы построения. Так, для УЗО, работающих на переменном оперативном токе фиксированной и, как правило, низкой частоты, основными причинами их неработоспособности в СИЧ являются непостоянство частоты основной гармоники напряжения на выходе ПЧ, изменяющейся в диапазоне от 2 до 70 Гц и наличие в спектре выходного напряжения ПЧ высших гармонических составляющих, в основном 5-ой и 7-ой. Их частоты в рассматриваемом диапазоне частот ПЧ изменяются соответственно в пределах от 10 до 350 и от 14 до 490 Гц, а амплитуды достигают 28,6% (для 5-ой) и 11% (для 7-ой) от амплитуды основной гармоники напряжения на выходе ПЧ.
При регулировании частоты на выходе ПЧ возможны совпадения частот оперативного тока и одной из гармоник напряжения ПЧ. В результате при приближениии (а тем более при совпадении) не только частоты основной гармоники ивых пч но и частот его высших гармонических составляющих к частоте оперативного тока в цепи контроля сопротивления изоляции будут протекать не только оперативный ток, но и токи, обусловленные выходным напряжением ПЧ. При этом, если фазы оперативного тока и тока, вызванного соответствующей гармоникой, близки или совпадают, то это приводит к ложному срабатыванию УЗО. Если же они находятся в противофазе, то УЗО не срабатывает при недопустимо низком сопротивлении - изоляции, т.е. когда величина оперативного тока превышает уставку срабатывания УЗО.
Влияние основной гармоники выходного напряжения ПЧ и его высших составляющих может быть устранено выбором определенного алгоритма изменения частоты оперативного синусоидального тока УЗО. Автором предложено изменять частоту оперативного тока по закону:
В этом случае влияние помех от 1-ой и высших гармоник ивых, пч на работу УЗО практически полностью исключается. Это объясняется тем, что частота оперативного тока в рабочем диапазоне частот ПЧ не только не совпадает с частотами 1-ой и высших гармонических иВЬ1Х, пч, но и существенно отличается от них по величине.
На рис. 4.1 представлена графическая интерпретация предложенного закона изменения частоты оперативного тока 10П, соответствующего выражению (4.1) (прямая 1). Прямые 1,3,5/7 выражают зависимости частот соответственно 1-ой, 3-ей, 5-ой и 7-ой гармоник выходного напряжения ПЧ от его частоты fnq. Как видно из рис.4.1, частота переменного синусоидального оперативного тока изменяется пропорционально частоте основной гармоники выходного напряжения ПЧ с дискретно изменяющимся коэффициентом пропорциональности К. При изменении частоты на выходе ПЧ в диапазоне от 2 до 16 Гц частота оперативного тока в два раза выше частоты основной гармоники (К=2), а в диапазоне 16 Гц и выше - в два раза ниже (К=0,5).
class5 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УСТРОЙСТВА ЗАЩИТНОГО
ОТКЛЮЧЕНИЯ ДЛЯ ШАХТНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА ИЗМЕНЯЮЩЕЙСЯ ЧАСТОТЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ
ИССЛЕДОВАНИЯ class5
link5 Методика и стенд для экспериментального исследования устройства защитного отключения class5
Предлагаемая методика - разработана для проведения экспериментального исследования УЗО для шахтных сетей переменного несинусоидального тока изменяющейся частоты, работающих в режиме изолированной нейтрали питающего трансформатора.
Целью экспериментального исследования является проверка работоспособности устройства зашиты в различных режимах работы ЧРЭП и при различных параметрах сети, надежности его функционирования, а также соответствия его параметров требованиям, предъявляемым к таким устройствам.
Методика экспериментального исследования УЗО включает определение следующих основных параметров:
1. сопротивления срабатывания при симметричной трехфазной утечке на УИЧ;
2. сопротивления срабатывания при симметричной трехфазной утечке на УПЧ;
3. сопротивления срабатывания при симметричной двухполюсной утечке на УПТ (между УВ и АИН ПЧ);
4. сопротивления срабатывания при несимметричной утечке на УИЧ;
5. сопротивления срабатывания при несимметричной утечки на УПЧ;
6. сопротивления срабатывания при несимметричной однополюсной утечке на УПТ;
7. длительного тока утечки при симметричной утечке по п.1;
8. длительного тока утечки при симметричной утечки по п.2;
9. длительного тока утечки при симметричной двухполюсной утечке по п. 3;
10. кратковременного тока утечки и количества электричества (СК=50 мА с) на УИЧ при однофазной утечке 1 кОм;
11. кратковременного тока утечки и количества электричества (СК=50 мА с) на УПЧ при однофазной утечке 1 кОм;
12. кратковременного тока утечки и количества электричества ((К=50 мА с) на УПТ при однополюсной утечке 1 кОм;
13. времени срабатывания УЗО при сопротивлении однофазной утечки 1 кОм по п.10;
14. времени срабатывания УЗО при сопротивлении однофазной утечки 1 кОм по п.11;
15. времени срабатывания УЗО при сопротивлении однополюсной утечки 1 кОм по п.12.
Испытание УЗО в режиме предупредительного контроля сопротивления изоляции и блокировки (БРУ) предусматривает измерение значения напряжения холостого хода ИОТ УЗО, измерение значения оперативного тока при сопротивлении однофазной (однополюсной) утечки ІкОм; испытание на искробезопасность выходной цепи УЗО, осуществляющей предупредительный контроль сопротивления изоляции.
Экспериментальное исследование УЗО проводилось при нормальных значениях факторов внешней среды в соответствии с ГОСТ 15150-69
- температура, t, С - 25±10;
- атмосферное давление, мм рт.ст. - 630-800;
- относительная влажность воздуха, % - 45-80.
Создание искусственной утечки тока фазы (или фаз) на землю осуществлялось с помощью набора резисторов типа ПЭВ с диапазоном изменения сопротивления 102-106 Ом. Емкость кабеля имитировалась набором конденсаторов типа МБМ.
Обнаружение ложных срабатываний УЗО проводилось во всем рабочем диапазоне частот ПЧ от 2 до 70 Гц и выходного напряжения от 15 до 660 В.
При испытании УЗО на определение времени собственного срабатывания создавалась внезапная однофазная утечка через сопротивление 1 кОм с одновременным началом отсчета времени до момента срабатывания исполнительного органа УЗО.
