С. Н. Барахтаев, М. В. Гришин
Вид материала | Документы |
Содержаниесписок литературы |
- Гришин А. В. Actual directions of improving Russian higher pharmaceutical education, 98.02kb.
- Лекция по военному делу Учебные вопросы, 207.29kb.
- Гришин Виктор Иванович Доктор экономических наук, профессор, Ректор Российского экономического, 56.23kb.
- Программа молодежной конференции с элементами научной школы "Микромир и макромир 2011", 86.45kb.
- Сопредседатели: Максимов А. С., председатель Комитета по науке и высшей школе Администрации, 69.8kb.
- И. Н. Гришин, А. В. Воробей, И. П. Климчук, И. С. Старосветская,, 24.27kb.
- А. Н. Гришин субъекты правоотношений при обращении отработавшего ядерного топлива, 25.76kb.
- Методические указания к практическим занятиям и курсовому проектированию Самара, 474.93kb.
- Тема: Нервно-мышечные заболевания пищевода Гришин, 28.15kb.
- Отчет о стажировке по программе «Практика работы контрольных, ревизионных и надзорных, 97.42kb.
УДК 622:621.316.9
С.Н. Барахтаев, М.В. Гришин
НЦ ВостНИИ
Параметры токов короткого замыкания в шахтных электрических сетях и исходные данные для разработки устройства проверки максимально-токовых защит импульсным током
_____________________________________________________________
Изложены результаты исследования параметров токов короткого замыкания в шахтных электрических сетях и получены исходные данные для создания эффективных средств проверки максимально-токовых защит электроустановок импульсным током
_____________________________________________________________
Причиной многих крупных аварий, связанных с применением электроэнергии в угольных шахтах является загрубление уставок срабатывания защитной аппаратуры. Статистические данные эксплуатационной проверки максимально-токовых защит (МТЗ) показывают, что 10-15 % из них по уставке срабатывания не соответствуют требуемым значениям безопасности.
Короткие замыкания (к.з.) в условиях подземных выработок могут явиться причиной пожара или взрыва. По данным НЦ ВостНИИ [1] более 65% экзогенных подземных пожаров в шахтах происходит в результате повреждения электрооборудования и кабелей. При этом пожары из-за к.з. в бронированных кабелях составляют 12%, из-за к.з. в гибких кабелях – 24% и из-за неисправности электрооборудования – 30%. Число взрывов в забоях и прилегающих к ним горных выработках, по причине к.з. в кабелях и в электрооборудовании составляет 35% от общего числа взрывов.
Основная причина возникновения к.з. в подземных электроустановках – нарушение их электрической изоляции внешними механическими воздействиями (удары, перегибы, выдергивания). Рудничные аппараты и электродвигатели имеют механически прочные оболочки, защищающие их активную часть от внешних воздействий. В тоже время в подземных выработках шахт эксплуатируются многие километры бронированных и гибких кабелей, оболочки которых имеют недостаточную механическую прочность. Повреждение изоляции силовых жил кабеля из-за обрушившейся породы или перемещения горных машин, вызывает наиболее опасное междуфазное к.з. с образованием электрической дуги. Дуговое к.з. сопровождается выбросом частиц расплавленного металла и горящей изоляции в окружающее пространство, что приводит к воспламенению легкозагорающихся материалов – метана, угольной пыли, масла и др.
В угольных шахтах, в соответствии Инструкцией по проверке максимальной токовой защиты шахтных аппаратов (к §545 Правил безопасности в угольных шахтах), проверка уставок МТЗ должна производится перед спуском аппарата в шахту, перед вводом его в эксплуатацию, если с момента проверки аппарата на поверхности прошло более двух недель, и во время эксплуатации – не реже одного раза в шесть месяцев для аппаратов напряжением до 1200 В и не реже одного раза в год – для аппаратов напряжением свыше 1200 В. Проверка уставок защиты в подземных выработках шахт, опасных по газу, должна производиться, как правило, с помощью средств проверки в рудничном исполнении по месту установки шахтных аппаратов в подземных выработках [2]. Однако до настоящего времени промышленностью не выпускается таких средств и проверку МТЗ вынуждены выполнять с выдачей шахтной аппаратуры на поверхность шахты.
При ревизиях подземного высоковольтного электрооборудования, применяемые в угольных шахтах устройства для проверки МТЗ на основе нагрузочного трансформатора с регулятором тока, не соответствуют требованиям безопасности, имеют искрящиеся элементы, значительные габариты и вес (более 100 кг), а для их питания требуется подключение к электрической сети.
Институтом НЦ ВостНИИ были проведены исследования параметров токов короткого замыкания в шахтных электрических сетях и получены исходные данные для создания эффективных средств проверки МТЗ импульсным методом.
Аварийные токи при к.з. зависят от параметров генерирующих источников питания, конфигурации питающей сети, параметров её элементов, фазы э.д.с. в момент возникновения к.з., наличия или отсутствия присоединенной нагрузки. При возникновении к.з. общее электрическое сопротивление цепи системы уменьшается, что вызывает резкое увеличение токов в сети. Характер протекания тока к.з. системы в значительной степени зависит от мощности питающей системы и сопротивления короткозамкнутой цепи.
В общем случае явление короткого замыкания [3] определяется дифференциальным уравнением
(1)
Решение уравнения (1) дает выражение для мгновенного значения полного тока к.з.
, (2)
где: Rк и Lк – активное и индуктивное сопротивление короткозамкнутой цепи; – фаза включения при t = 0; – угловая частота; к = arctg(Lк/ Rк) – угол отставания тока от напряжения при установившемся режиме.
Ток iк из выражения (2) может быть представлен на рисунке1 как сумма:
- синусоидального тока iп – переменной периодической составляющей установившегося режима после затухания переходных явлений;
- тока быстроспадающего по экспоненте iа, который характеризует переходный процесс к установившемуся режиму
, (3)
где: – амплитудное значение апериодической составляющей тока к.з.;
Та = Хк/(R) – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока к.з.
Токи к.з. зависят от начальной фазы напряжения . Если фаза равна углу отставания фазы тока к, то апериодическая составляющая равна нулю и режим к.з. не имеет переходного состояния, а ток сразу становится равным току периодической составляющей. При ( – к) = /2 апериодическая составляющая имеет максимум. Это возможно, когда к.з. происходит при переходе кривой питающего напряжения через минимум.
Рисунок 1 – Кривая изменения тока к.з. в подземной электрической сети
Наибольшее мгновенное значение полного тока к.з. iу (ударный ток) наступает примерно через 1/2 периода (0,01 с) с момента возникновения к.з. и равно
, (4)
где: Ку – ударный коэффициент.
Ударный коэффициент Ку [4] можно определить по графику на рисунке 2, а его ориентировочные значения при к.з. в различных точках шахт Кузбасса (из расчета схем электроснабжения) имеют значения, приведенные в таблице 1.
Рисунок 2 – Зависимость ударного коэффициента Ку от отношения индуктивного сопротивления короткозамкнутой цепи к активному сопротивлению
Таблица 1 – Значения ударного коэффициента
Место к.з. | Ку |
Шины центральной подземной подстанции (ЦПП) | 1,8÷1,6 |
Зажимы низшего напряжения участковой подстанции | 1,4÷1,2 |
Зажимы электродвигателя комбайна | 1÷1,05 |
Для определения распределения токов к.з. был проведен расчет схем электроснабжения 20 шахт Кузбасса. На рисунках 3 и 4 приведены гистограммы распределения токов к.з. в шахтных участковых сетях напряжением 660-1200 В и в высоковольтной сети на шинах ЦПП.
Рисунок 3 – Гистограмма распределения и совмещенная с ней кривая распределения аварийных токов в шахтных участковых сетях напряжением 660-1200 В
Рисунок 4 – Гистограмма распределения и совмещенная с ней кривая распределения аварийных токов в высоковольтной сети на шинах ЦПП
Время действия токов к.з. можно оценить по зависимостям времени срабатывания максимальных токовых защит УМЗ и ПМЗ [5] от кратности тока срабатывания Кт = iк/iу (см. рисунки 5 и 6).
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. Токи к.з. частотой 50 Гц имеют переходный затухающий режим. В сетях напряжением до 1200 В переходный процесс заканчивается через 0,01÷0,03 с при ударном коэффициенте Ку = 1,0÷1,4, â сетях напряжением свыше 1200 В продолжительность переходного процесса достигает 0,1 с при ударном коэффициенте Ку = 1,3÷1,8.
2. Величины токов к.з. в шахтных участковых сетях напряжением 660-1200 В достигают 5 кА, причем наибольшая плотность токов к.з. относится к диапазону 1÷2 кА; токи к.з. в высоковольтной сети достигают 3 кА, причем наибольшая плотность токов к.з. относится к диапазону 0,7÷1,4 кА.
3. Продолжительность импульса тока к.з. при кратности тока срабатывания Кт = 1,5 составляет для защиты ПМЗ – не более 0,01 с, УМЗ – не более 0,04 с, встроенного токового реле прямого действия – не более 0,05 с.
Рисунок 5 – Зависимость времени срабатывания tср защиты УМЗ от кратности тока к.з. к току уставки iк/iу
Рисунок 6 – Зависимость времени срабатывания tср защиты ПМЗ от кратности тока к.з. к току уставки iк/iу
По результатам исследования установлено, что токи к.з. частотой 50 Гц имеют переходный затухающий режим. В шахтных сетях напряжением до 1000 В переходный процесс заканчивается через 0,01÷0,03 с. В сетях напряжением свыше 1000 В продолжительность переходного процесса достигает 0,1 с.
Полученные статистические данные распределения токов к.з. в шахтных высоковольтных и низковольтных сетях показывают, что устойчивые уровни величин токов к.з. в кабельных сетях напряжением 660-1200В достигают 5 кА, причем наибольшая плотность токов к.з. относится к диапазону 1÷2 кА, токи к.з. в высоковольтной сети достигают 3 кА, причем наибольшая плотность токов к.з. относится к диапазону 0,7÷1,4 кА.
Продолжительность действия токов к.з. в шахтной сети определяется временем срабатывания защитной аппаратуры. Анализ временных параметров защитной аппаратуры позволил установить, что время срабатывания в значительной мере зависит от кратности тока срабатывания Кт. Установлено, что при кратности тока срабатывания Кт = 1,5, продолжительность импульса тока к.з. составляет для защиты типа ПМЗ – не более 0,01 с, УМЗ – не более 0,04 с, встроенного токового реле прямого действия – не более 0,05 с.
На основе вышеизложенных исследований были получены следующие обоснованные требования для разработки и изготовления новых средств эксплуатационной проверки МТЗ шахтных электроустановок импульсным методом:
- Импульс нагрузочного тока для проверки МТЗ должен иметь колебательный характер частотой 50-100 Гц и имитировать по форме и величине наиболее опасный переходный режим тока к.з. в шахтных электрических сетях.
- Длительность импульса тока должна быть не менее 0,03 с.
- Диапазон проверяемых уставок по току от 200 до 2400 А.
Результаты проведенных исследований могут являться исходными данными для разработки технической документации и изготовления опытных образцов устройства для проверки МТЗ в угольных шахтах, основанных на импульсном методе проверки.
список литературы
- Создать переносное устройство с автономным питанием в рудничном исполнении для эксплуатационной проверки импульсным методом максимальных токовых защит (МТЗ) подземных электроустановок в угольных шахтах: Отчет о НИР /ВостНИИ; Руководитель В.А. Гришин. ОНТП №7.9.1. – Кемерово, 1999. – 46 с.
- Правила безопасности в угольных шахтах (РД 05-94-95).
- Риман Я.С. Защита шахтных участковых сетей от токов короткого замыкания. 2-е изд., перераб. и доп. – М., Недра, 1985, 88 с.
- Гладилин Л.В. Основы электроснабжения горных предприятий. - 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1980. – 327 с.
- Руководство по ревизии, наладке и испытанию подземных электроустановок шахт. Под ред. В.В. Дегтярева, Л.В. Седакова. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Недра, 1989. – 614 с.