Введение к работе
Актуальность работы. Основные направления экономического и социального развития СССР предусматривают дальнейшее развитие организационно-технических мероприятий по созданию благоприятных условий для высокопроизводительного труда, улучшению санитарно-гигиенических условий и техники безопасности, повышению культуры производства горнодобывающих отраслей промышленности за счет интенсификации горных работ на основе повышения мощности и производительности горных машин и механизмов, опережающего развития электрификации и автоматизации.
Эффективность системы электроснабжения горных предприятий, а также уровень электробезопасности в значительной мере зависят от уровня сопротивления изоляции фаз электроустановок относительно земли, от постановки 'профилактических осмотров и ремонтов эксплуатируемого электрооборудования и сетей, от совершенствования средств контроля и измерения параметров изоляции под рабочим напряжением.
В свою очередь, сопротивление изоляции в сети с изолированной нейтралью, «а'к известно, определяет величину тока однофазного замыкания па землю (033), который, учитывая его прямую связь с током утечки и током, протекающим через тело человека при прикосновении его к фазе электроустановки или попадания под шаговое напряжение, можно при-пять за основной фактор действующих электроустановок напряжением до и выше 1000 В. Это еще раз [доказывает необходимость осуществления как периодического, так и непрерывного контроля состояния .изоляции фаз электрической сети относительно земли, раскрытия и учета всех факторов, влияющих на ее уровень, с целью разработки технических и организационных мероприятий по повышению эффективности системы электроснабжения и уровня электробезопасности.
В практике эксплуатации .карьерных распределительных сетей (КРС) имеют место групповые отключения фидеров при повреждении изоляции какой-либо фазы относительно земли, что приводит к простою высокопроизводительных горных машин и механизмов. Для исключения групповых отключений фидеров в КРС необходимо провести теоретические и экспериментальные исследования и разработать новые принципы средств защиты от тока 033 в системе электроснабжения горных предприятий..
Основными мероприятиями в общей системе средств повышения эффективности системы электроснабжения и уровня
электробезопасности являются: совершенствование защиты от тока 033 на основе математического описания логического управления схемой внутреннего электроснабжения карьеров, защиты от обрыва провода, воздушных линий (ВД) 6 кВ, защиты в распределительных сетях 6 кВ; снижение тяжести электротравматизма и его частоты лутем ограничения тока 033; использование системы автоматического управления (САУ) схемой внутреннего электроснабжения горных предприятий; использование средств защиты от тока 033 на основе разработок микропроцессорных устройств, а также полупроводниковой н микросхемной техники.
Изложенное показывает, что проблема развития теории разработки способов и средств повышения эффективности систем электроснабжения горных предприятий является актуальной.
Цель работы. Разработать систему средств .повышения эффективности систем электроснабжения и уровня электробезопасности горных предприятий на основе математического описания логического управления и установления закономерностей изменения величин модулей напряжения нулевой последовательности (ННП) и фазных напряжений: САУ систем электроснабжения; способов определения параметров изоляции; способов и устройств защиты от тока 033 и определения поврежденной линии при 033 .на базе полупроводниковой и микропроцессорной техники.
Идея работы заключается в использовании закономерностей изменения модулей ННП и величин фазных напряжений при разработке и внедрении способов и средств, обеспечивающих дальнейшее повышение надежности систем электроснабжения и уровня электробезопасности торных предприятий.
Основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
-
Параметры изоляции и тока 033 толучепы на основе установления закономерности изменения величин модулей ННП и фазных напряжений и изменения их фазовых характеристик при подключении между одной из фаз сети и землей активной или емкостной дополнительной проводимости, а также при подключении первой и второй активных дополнительных лраводимостей или первой активной и второй емкостной дополнительных проводимостей.
-
Разработана САУ систем электроснабжения, основанная на учете состояния параметров изоляции и перераспределения токов 033, стекающих к точке, где имеет место повреждение изоляции, с .целью исключения групповых отключений отходящих фидеров в комплектно-распределительных устройствах (КРУ).
-
Установлена зависимость угла сдвига фаз между вектором искусственного емкостного тока, полученного при подключении конденсаторов между фазами сети и землей, и векторами ТНП, позволяющая определить поврежденную линию при 033 в сети с изолированной нейтралью.
-
Установлена зависимость изменения тока нагрузки в ВЛ-6 кВ ,во времени при обрыве провода-.
-
Получены зависимости емкости фаз относительно земли с учетом влияния ВД-б кВ и борта карьера на, несимметрню токов 033 при симметрии напряжений.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются:
удовлетворительной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований в производственных условиях параметров изоляции, и тока 033 в сети с изолированной нейтралью (погрешность определения тока 033 не превышает 2— 5%, а определения параметров изоляции — 5—10% при уровне значимости 0,05).
Научная новизна работы заключается в следующем:
получены математические зависимости определения параметров изоляции и тока 033 от изменения фазных напряжений в сети с изолированной нейтралью;
получены закономерности логического управления: САУ схемой внутреннего электроснабжения на основе учета состояния параметров изоляции и перераспределения тока 033, стекающего к точке, где имеет место повреждение изоляции; защита от замыкания на землю в сети с распределенными параметрами на. основе определения приоритета максимального тока в защищаемой сети; защита от обрыва фазного провода ВЛ-6 кВ на. основе анализа тока нагрузки ,во времени при обрыве провода;
установлена закономерность влияния борта карьера и земли на несимметрню токов 033 при симметрии фазных напряжений ВЛ-6 кВ;
установлена зависимость угла сдвига фаз между вектором искусственного емкостного тока, генерируемого конденсаторами, и 'векторами ТНП отходящих линий.
Научное значение работы состоит в дальнейшем развитии теории надежности электроснабжения и электробезопасностн горных предприятий и заключается:
в разработке способов определения параметров изоляции л тока 033 на. основе: измерений величин напряжения фазы относительно земли до и после подключения между пей и землей активной дополнительной проводимости и величины ННП; величин линейного напряжения, ННП и напряжения фазы относительно земли при подключении между ней и землей активной дополнительной проводимости; величин линейного напряжения и напряжения фаз А. В и С относительно
земли лри подключении активной дополнительной проводимости между фазой А электрической сети и землей; величин линейного напряжения и напряжения фазы относительно земли при поочередном подключении первой и второй активных дополнительных проводпмостей между измеряемой фазой и землей; величин линейного иалряжения и напряжения фазы относительно земли при поочередном подключении между ней и землей емкостной и активной дополнительных проводимостей; в поочередном подключении первой и .второй активных дополнительных проводимостей между одной из фаз сети и землей и измерении величин модулей токов, протекающих через первую и .вторую дополнительные проводимости, и величины линейного напряжения; в подключении активной дополнительной проводимости между фазой сети и землей, измерении величин ННП и линейного напряжения, а также измерении угла сдвига фаз между векторами ННП и линейного напряжения; в подключении активной дополнительной проводимости между фазой сети и землей и измерении .величин линейного напряжения, напряжения фазы относительно земли, а также измерении угла сдвига фаз между векторами напряжения фазы относительно земли и лилейного напряжения;
в получении закономерности логического управления: АСУ схемой внутреннего электроснабжения на основе учета состояния параметров изоляции и перераспределения тока 033, стекающего к точке, где имеет место повреждение изоляции; защита от замыкания на землю в сети с распределенными параметрами на основе определения приоритета, максимального ТИП в защищаемой сети; защита от обрыва фазного провода ВЛ-6 кВ на основе анализа тока нагрузки во времени при обрыве провода;
в установлении закономерности влияния борта карьера и земли на несимметрию токов ОЗЗ при симметрии фазных напряжений ВЛ-6 кВ;
в установлении зависимости угла сдвига фаз между вектором искусственного емкостного тока, генерируемого конденсаторами, и векторами ТНП отходящих линий.
Связь темы диссертации с государственными программами и с планом работы института.
Работа выполнялась в соответствии с программой работ ,по решению научно-технической проблемы 0.74.08 «Разработать и внедрить методы и средства, обеспечивающие дальнейшее повышение безопасности и оздоровление условий труда в народном хозяйстве», утвержденной постановлением Президиума ВЦСПС, ГКНТ и Совета Министров СССР на 1981 — 1985 гг. и на 1986—1990 гг. (задание 02.02); в соответствии с минвузовской целевой комплексной программой работ по решению научно-технической проблемы «Разработка методов и
средств экономии электроэнергии в электрических сетях» ^приказ Минвуза СССР № 101 от 09.02.87 г., этап 01).
Автор в качестве научного руководителя тем с предприятиями Качарского ГОКа Мипчермета СССР, Рудиенской ТЭЦ ПО «Кустанайэнерго» Министерства энергетики и электрификации КазССР выполнил научные исследования по проблеме повышения эффективности систем электроснабжения горных предприятий.
Практическое значение работы состоит в разработке:
способов определения параметров изоляции сети и тока 033, которые обеспечивают удовлетворительную точность, простоту и безопасность при .производстве работ по определению искомых величин, с учетом которых производится выбор стратегии решения вопросов по оптимизации режима нейтрали, выбор уставок защиты от 033 и уточненного расчета заземления электроустановок, а также при .проведении периодического контроля состояния изоляции действующих электроустановок (А. с. 917127, 1215057, 1347038);
новых принципиальных и функциональных схем устройств защиты от тока 033 в сетях 6—10 кВ, использование которых позволяет обеспечить бесперебойность питания электроприемников п повысить уровень электробезопасности при эксплуатации электроустановок горных предприятий на основе использования полупроводниковой и микропроцессорной техники (А. с. 1403189, положительное решение .по заявке № 4659372/24—21/180610 от 30.08.89);
логического управления защитой от обрыва провода воздушных линий 6 кВ горных предприятий, которое позволяет использовать ЭВМ и тем самым обеспечить повышение уровня электробезопасности при эксплуатации карьерных электроустановок и снизить простои горных машин и механизмов;
САУ схемой внутреннего электроснабжения горных предприятий, основанной на учете состояния изоляции электрической сети и перераспределении векторов токов 033, стекающих к точке, где имеет место повреждение изоляции. Это позволяет сократить бесперебойность системы внутреннего электроснабжения и повысить уровень электробезопасности при эксплуатации электроустановок напряжением выше 1000 В;
системы повышения эффективности устройства защиты от тока. 033 в -карьерных сетях 6 кВ, которая обеспечивает селективность защиты и исключает в защищаемой сети групповые отключения фидеров, изоляция фаз которых относительно земли не повреждена;
методики определения тока однофазного замыкания на землю в электроустановках 6—10 кВ, обеспечивающей безопасность при производстве измерений, простоту и удовлетворительную точность.
Реализация выводов и рекомендаций работы.
Методики определения параметров изоляции и тока 033 в электрических сетях с изолированной нейтралью напряжением выше 1000 В внедрены в ПО «Экибастузуголь» Минугле-прома СССР. Рекомендации по рациональным пределам напряжений и способу регулирования напряжения в электрических сетях разрезов приняты к использованию ПО «Экибастузуголь». Внедрение позволило снизить число аварийных отключений в распределительных сетях 6 «В. Социальный эффект от внедрения результатов работы заключается їв повышении уровня электробезопасности на горнодобывающих предприятиях.
САУ схемой внутреннего электроснабжения карьера внедрена на главной понизительной подстанции (іГПП) Канарского ГОКа ССГПО Минчермета СССР. Внедрение схемы основано на использовании резервных контактов реле напряжений, защиты и промежуточных реле, применяемыхв КРУ-6 кВ, которые установлены для управления, защиты и сигнализации. Использование разработанной схемы позволило повысить бесперебойность электроснабжения горнодобывающих машин и механизмов без дополнительных капитальных затрат.
А. с. 1215057 «Способ определения параметров изоляции трехфазных электрических сетей с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В» внедрено на участке сетей и подстанций Канарского ГОКа ССГПО Минчермета СССР. Внедрение позволило ловысить уровень электробезопасности при эксплуатации электроустановок напряжением 6 кВ.
А. с. 1403189 «Устройство направленной защиты линии от однофазного замыкания на землю в трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью» внедрено в сетях 6— 10 кВ на Соколовском подземном руднике ССГПО Минчермета СССР; заводе «Казогнеупор» Минчермета СССР; Дже-тыгаринском асбестовом горно-обогатительном комбинате Министерства промстройматериалов СССР; Рудненокой ТЭЦ ПО «Кустанайэнерго» Минэнерго СССР.
«Методика определения тока однофазного замыкания на землю ,в электроустановках 6—10 кВ» внедрена на Соколовском подземном руднике ССГПО Минчермета СССР; Джеты-гаринском асбестовом горно-обогатительном комбинате Министерства промстройматериалов СССР; Рудненской ТЭЦ ПО «Кустанайэнерго» Минэнерго СССР.
Рекомендация по «Системе повышения эффективности устройства защиты от тока однофазного замыкания на землю в карьерных сетях 6 кВ» внедрена на Джетыгаринском асбестовом горно-обогатительном комбинате Министерства промстройматериалов СССР; заводе «Казогнеупор» Минчермета СССР.
Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение: на республиканских научно-практических конференциях «Проблемы освоения и комплексного использования минерально-сырьевых ресурсов Актюбинском области» (Алма-Ата, Актюбинск, 1982 г.); «Проблемы комплексной роботизации и внедрение автоматических и автоматизированных систем управления .в народное хозяйство Казахстана» (Алма-Ата, 1985 г.); на ВДНХ Казахской ССР: «Наука— 1986», «Наука—производству», 1987 г., «Интенсификация общественного производства за счет повышения эффективности научно-технического прогресса», 1988 г.; на IX республиканской научно-технической конференции «Совершенствование добычи и переработки горючих сланцев» (Кохтла-Ярве, 1989 г.); на. Всесоюзных научно-технических конференциях: «Электробезопасность в горнорудной промышленности СССР (Днепропетровск, 1982 г.); «Проблемы охраны труда» (Каунас, 1982 г.); «III Бенардо-совские чтения» (Иваново, 1987 г.); «По проблемам охраны труда в условиях ускорения научно-технического прогресса» (Москва, 1988 г.); «Повышение эффективности электроснабжения на промышленных предприятиях» (Москва, Челябинск, 1990 г.); «Охрана труда в цветной металлургии» (Челябинск, 1990 г.); «Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах электроснабжения промышленности и транспорта» (Днепропетровск, 1990 г.); на Всесоюзном семинаре министерства энергетики и электротехники «Определение мест повреждения ВЛ 6—750 «В» (Рига, 1988 г.); на межотраслевом научно-техническом совещании «Режимы нейтрали судовых электроэнергетических систем 6 кВ и защита от однофазных замыканий паї корпус» (Ленинград, 1989 г.); на XII и XIII Всесоюзных симлозиумах «Логическое управление с использованием ЭВМ» (Москва — Симферополь, 1989 г., Москва—Симеиз, 1990 г.); на II международном симпозиуме «Математические методы в электроэнергетике» (ПНР, Закопане, 1988 г.); на международной конференции «9 ИКАМК' 88 — Болгария» «Автоматизация в шахтах и карьерах» (НРБ, Варна, 1988 г.); на VII и VIII международных научно-технических конференциях «Защита от поражения электрическим током в электроэнергетичеоких установках» (ПНР, Лодзь, 1989 т., 1991 г.); на Национальной научно-технической конференции с международным участием на тему «Электробезопасность — 90» (НРБ, Варна, 1990 г.); на международной интернациональной 'Конференции «10 ИКАМК' 1990» «Автоматизация при научном контроле» (Чехословакия, Острава, 1990 г.).
Научно-исследовательская работа «Исследование состояния изоляции и тока однофазного замыкания на землю в условиях действующих электроустановок 6 кВ Рудненской
ТЭЦ» удостоена второй премии по конкурсу «На лучшую разработку предложений молодых ученых и специалистов в области развития научно-технического прогресса в энергетике и электротехнической промышленности» за 1989 г. по центральному правлению Всесоюзного научно-технического общества энергетиков и электротехников имени академика Г. М. Кржижановского.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 научных работ, получены 4 авторских свидетельства на изобретение 'и одно положительное решение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 'пяти глав и заключения, изложенных па 242 страницах машинописного текста, содержит 47 рисунков и 15 таблиц, библиографический список из 161 наименования и 2 приложения.
