Міністерство освіти І НАУКИ України

Національна гірнича академія України

Шедловський Ігор Анатолійович

УДК 622.62-83:621.33

Засоби пошуку пошкоджених компенсуючих пристроїв тягової мережі шахтного безконтактного транспорту підвищеної частоти

Спеціальність:

05.09.03 – “Електротехнічні комплекси та системи”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі систем електропостачання Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник академік НАН України, доктор технічних наук, професор

Півняк Геннадій Григорович,

ректор Національної гірничої академії України Міністерства освіти і науки України, завідуівач кафедри систем електропостачання

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Родькін Дмитро Йосипович. Кременчуцький державний політехнічний інститут Міністерства освіти і науки України,

професор кафедри систем автоматичного управління і електроприводу;

кандидат технічних наук, доцент Іванов Олексій Борисович; Національна гірнича академія України Міністерства освіти і науки України, професор кафедри електричних машин, декан електротехнічного факультету

Провідна установа.

Донецький державний технічний університет, кафедра електропостачання промислових підприємств та міст, Міністерства освіти і науки України, м.Донецьк

Захист відбудеться “ 19 ” травня 2000 р. о “ 14-00 ” годині

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 по захисту дисертацій

у Національній гірничій академії України Міністерства освіти і науки України

(49027, м.Дніпропетровськ,27, проспект Карла Маркса, 19, тел. 47-24-11)

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної гірничої академії України. (м.Дніпропетровськ,27, проспект Карла Маркса, 19).

Автореферат розісланий “ 19 ” квітня 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат технічних наук, доцент ___________________ В.Т.Заїка

Загальна характеристика роботи.

Актуальність теми. Вугільна промисловість України - одна з головних складових паливно-енергетичного комплексу, тому її розвитку приділяється особлива увага. Міністерством вугільної промисловості розроблена програма розвитку галузі до 2005 р., що ввійшла в “Національну енергетичну програму України до 2010 р.”. Одним з основних напрямків розвитку вуглевидобувного підприємства - зниження енергоємності, трудо- і матеріаломісткості виробництва, підвищення безпеки і зниження екологічно шкідливих відходів. Рішення поставлених перед вугільною галуззю завдань, поряд з економічними перетвореннями, можливе на основі технічного переозброєння підприємств. Тому в наукових розробках, які відносяться до вугільної галузі, необхідно орієнтуватися на те, що вже освоєно промисловістю і проявило себе найбільш надійно. Проте не можна припиняти роботи в пошуку сучасних наукових та інженерно-технічних рішень.

Транспорт з індуктивною передачею енергії підвищеної частоти на базі електровозів В14-900 освоєний промисловістю, проведена всебічна перевірка його характеристик, що показала перевагу над акумуляторними електровозами. Безконтактні електровози перевершують акумуляторні з таких основних характеристик як питома потужність, питома енергія, надійність і довговічність, скорочення обслуговуючого персоналу, безпека експлуатації й обслуговування. Безконтактні електровози практично не завдають шкідливого впливу на навколишнє середовище.

Промислова експлуатація транспорту з індуктивною передачею енергії показала його достоїнства, хиби, а також необхідність і шляхи удосконалення з метою подальшого підвищення техніко-економічних показників.

Пошкодження елементів електрообладнання транспорту призводять до аварійних простоїв і як наслідок - зниження ефективності. Компенсуючі конденсатори тягової мережі розподілені по всій довжині маршруту транспортування і поміщені в герметичні вибухобезпечні оболонки, тому вихід з ладу компенсуючого конденсатора призводить до значних витрат часу на його пошук і заміну. Особливості тягової мережі транспорту не дозволяють використовувати існуючі пристрої пошуку несправностей для визначення місця розташування пошкодженого компенсуючого конденсатора або інших можливих несправностей мережі.

Транспорт з індуктивною передачею енергії підвищеної частоти використовується у вугільних шахтах небезпечних по газу та пилу. Виникнення несправності компенсуючого конденсатора призводить до підвищення діючої напруги і пошкодження ізоляції. Тому питання визначення місця знаходження пошкодженого компенсуючого конденсатора розглянуто в комплексі з питанням забезпечення електробезпеки компенсуючих пристроїв тягової мережі у післяаварійному режимі.

Мета роботи - розробка засобів визначення місця розташування пошкодженого компенсуючого конденсатора в тягових мережах шахтного транспорту з індуктивною передачею енергії підвищеної частоти, що дозволяють забезпечити ефективність експлуатації транспорту за рахунок зниження часу ремонтно-відновлювальних робіт і створити безпечні умови експлуатації електрообладнання тягової мережі в післяаварійному режимі.

Наукова задача - установлення залежностей параметрів режимів тягової мережі підземного транспорту з індуктивною передачею енергії від параметрів її електроустаткування з урахуванням хвильових властивостей і особливостей, що дозволило розробити засоби діагностики тягових мереж, використані в запропонованому пристрої для визначення компенсуючого конденсатора з міжвивідним коротким замиканням.

Ідея роботи полягає в використанні результатів математичного моделювання режимів роботи тягової мережі як неоднорідної лінії з розподіленими параметрами для визначення залежностей зміни складових вхідного опору від місця розташування ушкодженого компенсуючого конденсатора.

Основні наукові положення і результати та їх новизна.

Наукові положення.

Вхідний опір тягової мережі на підвищеній частоті залежить від параметрів проводу, компенсуючих конденсаторів і координат їх розташування на маршруті транспортування. При ідентичних змінах параметрів компенсуючих конденсаторів, розташованих в різних перетинах мережі, складові її вхідного опору змінюються відповідно до місця розташування конденсатора, що дозволяє розробити засоби дистанційного визначення координати пошкодження.

Заміщення схеми тягової мережі безконтактного транспорту двофазною двопровідною мережею з ізольованою нейтраллю дозволяє виконати аналіз втрат струму компенсуючих конденсаторів, розташованих у кожній фазі, з урахуванням їх нерівномірного розташування і реальних параметрів.

Результати.

- Розроблена математична модель тягової мережі стабільного струму підвищеної частоти, яка використовує розділення мережі на елементарні ділянки з урахуванням граничних умов кожної ділянки і дозволяє встановити однозначну залежність вхідного опору від місця розташування ушкодженого конденсатора.

- Обгрунтована і розроблена математична модель аналізу втрат струму компенсуючих конденсаторів з урахуванням подовжніх та поперечних параметрів мережі підвищеної частоти і конструктивних особливостей компенсаційних пунктів.

- Розроблена схема і макет пристрою визначення місця розташування ушкодженого компенсуючого конденсатора тягової мережі незалежно від її довжини та конфігурації.

- Визначені, опір ізоляції компенсаційного пункту в діапазоні частот 4…6 кГц, залежність умов безпеки компенсаційного пункту в післяаварійному режимі від варіанту розташування компенсуючих конденсаторів у ньому.

-Доведено, що місце розташування ушкодженого компенсуючого конденсатора в реальній тяговій мережі раціонально визначати за значенням реактивної складової її вхідного опору.

-Доведено, що частоту оперативного сигналу доцільно вибирати з умови максимальних змін реактивної складової вхідного опору. Оптимальним є вибір частоти, що лежить в області першого резонансу струмів. Із зміною довжини лінії змінюються частотні характеристики мережі і, як наслідок, значення оптимальної частоти оперативного сигналу.

- Встановлено, що при несправності одного з елементів ізоляції компенсаційного пункту, можливої внаслідок руйнації конденсатора, заземлення його вибухобезпечної оболонки забезпечує необхідний рівень електробезпеки тягової мережі у післяаварійному режимі.

-Запропоновані варіанти схем вимірювань вхідного опору тягової мережі, що дозволяють зменшити похибку визначення місця розташування ушкодженого компенсуючого конденсатора і знизити вимоги до точності застосовуваних вимірювальних приладів.

Наукова новизна. Розроблено математичні моделі тягової мережі стабільного току підвищеної частоти як неоднорідної лінії з розподіленими параметрами, що дозволяють оцінити умови безпеки пристроїв поздовжньої ємнісної компенсації, які є зосередженими неоднорідностями, і встановити залежність вхідного опору тягової мережі від параметрів електроустаткування, а також умов його розміщення на маршруті транспортування з метою технічної діагностики мережі. Визначені умови вибору частоти оперативного сигналу і вплив на вхідний опір тягової мережі змін її параметрів.

Обгрунтованість і достовірність наукових положень і результатів отриманих у дисертаційній роботі, обумовлені системним підходом при дослідженні взаємозв'язків параметрів устаткування і параметрів електромагнітних процесів тягової мережі, відповідністю допущень прийнятих при розробці математичних моделей задачі і цілям досліджень, узгодженістю математичних моделей з фізичними уявленнями про процеси, що протікають, адекватністю результатів теоретичних і практичних досліджень.

Наукове і практичне значення роботи .

Отримані математичні моделі тягової мережі як неоднорідної лінії з розподіленими параметрами дозволяють оцінити втрати струму компенсуючих пристроїв при експлуатації транспорту з індуктивною передачею енергії і визначити рівні змін режимних показників в залежності від змін параметрів електроустаткування в різних перетинах мережі.

Визначення місця розташування компенсуючого конденсатора з міжвиводним коротким замиканням завдяки розробці відповідних засобів дозволяє підвищити ефективність транспорту з індуктивною передачею енергії за рахунок зниження витрат часу, необхідного для визначення місця та усунення несправності.

Створено макет пристрою пошуку ушкодженого конденсатора тягових мереж транспорту і підтверджена його працездатність в умовах підземних виробіток вугільних шахт.

Рівень розробки. У результаті виконаних досліджень створений пристрій пошуку ушкодженого компенсуючого конденсатора макет якого випробуваний на діючому комплексі устаткування транспорту шахти ім. “Известий” ДХК “Донбасантрацит”. Результати досліджень електромагнітних процесів у тяговій мережі і рівня електробезпеки компенсаційних пунктів використані інститутом ДонВУГІ при розробці і коригуванні технічної документації на комплекс устаткування транспорту.

Апробація роботи. Наукові положення і результати роботи доповідалися на Міжнародній науковій конференції “Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий” (м. Маріуполь, 1994 р.), результати роботи повідомлені на техраді шахти ім. “Известий”, на якій експлуатується комплекс безконтактного транспорту електровозами В14-900.

Експериментальні дослідження виконані в лабораторії кафедри систем електропостачання Національної гірничої академії України та на рівні 295 м шахти ім. “Известий” ДХК “Донбасантрацит”. Ряд досліджень здійснено на шахті “Лутугинская” ДХК “Луганськвугілля”.

Публікації. За темою дисертації опубліковано 4 друкарські роботи.

Короткий зміст роботи

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульована мета, ідея та основні задачі досліджень, визначені наукова новизна та практична цінність роботи.

Перший розділ присвячено аналізу особливостей безконтактного шахтного транспорту та постановці задачі досліджень: розробка методу технічної діагностики і створення устаткування пошуку несправного компенсуючого конденсатора тягової мережі транспорту з індуктивною передачею енергії.

Актуальність теми дисертаційної роботи підтверджується дослідженнями інтенсивності відмов елементів електрообладнання транспортної системи, серед яких найбільший процент - відмови компенсуючих конденсаторів тягової мережі та, враховуючи розподілення конденсаторів по всій відстані транспортування, значні витрати часу на пошук та усунення несправності.

Тягова мережа шахтного транспорту з індуктивною передачею енергії - це короткозамкнута двопровідна лінія, виконана спеціальним проводом і розміщена на висоті 1,9 м. Періодично в кожний провід тягової мережі включені спеціальні компенсуючі конденсатори, які монтуються у вибухобезпечних оболонках, які мають ізольовану внутрішню поверхню. Місце, в якому розміщено одну або декілька вибухобезпечних оболонок називається компенсаційним пунктом. Компенсуючі конденсатори компенсують індуктивний опір тягової мережі, яка працює в режимі близькому до резонансу напруг при частоті 5 кГц, та забезпечують режим роботи тягової мережі по напрузі.

Взаємозв'язок та найбільш суттєві особливості елементів транспортної системи ( підвищена частота та стабілізація струму тягової мережі; розподілення компенсуючих конденсаторів у тяговій мережі, яке визначається її розрахунковим навантаженням, виробничими та гірничо-геологічними умовами; нестаціонарні точки прикладення навантаження; висока добротність мережі; вибухобезпечне виконання обладнання ) визначають використання комплексного підходу для вирішення поставленої задачі.

Одночасно з визначенням залежності вхідного опору тягової мережі від координати компенсуючого конденсатора з міжвивідним коротким замиканням необхідно дати оцінку впливу цього конденсатора на рівень безпечної експлуатації транспорту. Тому що вихід з ладу компенсуючого конденсатора в більшості випадків супроводжується пошкодженням його ізоляції або ізоляції вибухобезпечної оболонки.

Використання існуючих методів визначення місця пошкодження в кабельних та повітряних мережах для технічної діагностики елементів електрообладнання тягових мереж шахтного транспорту з індуктивною передачею енергії можливе частково або повністю неможливе. Тому вирішувати задачу досліджень доцільно, базуючись на залежності вхідного опору тягової мережі від місця розташування пошкодженого компенсуючого конденсатора з використанням апарату дискретної математики та положень теорії ліній з розподіленими параметрами.

У другому розділі розглянуті питання електробезпеки компенсаційних пунктів тягової мережі транспорту з індуктивною передачею енергії.

На основі аналізу режимних показників роботи мережі та конструктивних особливостей компенсаційних пунктів показано, що існуючі математичні моделі тягової мережі не враховують поперечні параметри пристроїв повздовжньої ємнісної компенсації. Для аналітичної оцінки електробезпеки компенсуючих конденсаторів необхідна розробка математичної моделі, яка б враховувала параметри ізоляції конденсаторів, вибухобезпечних оболонок і давала можливість їх окремого дослідження з урахуванням існуючих в тяговій мережі напруг.

Розроблена схема заміщення тягової мережі, яка відповідає двофазній двопровідній мережі з ізольованою нейтраллю. Використання розробленої схеми дозволяє визначити опір ізоляції кожної з фаз тягової мережі, ураховуючи стан ізоляції кожного з її елементів. Виділення компенсуючого конденсатора як місця втрат струму дозволяє провести моделювання з урахуванням опору ізоляції кожної з фаз.

Базуючись на вимірюваннях опору ізоляції компенсуючих конденсаторів КСПР0.5-5У5 та їх вибухобезпечних оболонок, на робочій частоті тягової мережі і діючій на ізоляцію напрузі, яка відповідає діючим в реальних тягових мережах значенням визначено: опір ізоляції вибухобезпечної оболонки (57,99 кОм) більше ніж удвічі перевищує опір ізоляції компенсуючого конденсатора (23,08 кОм), що головним чином забезпечує електробезпеку компенсаційного пункту. Залежність втрат струму від прикладеної напруги лінійна, так як робоча напруга транспорту з індуктивною передачею енергії лежить в області значень, які не приводять до змін складових опору ізоляції компенсаційних пунктів.

Розробка математичної моделі, яка дає змогу оцінити втрати струму компенсуючих конденсаторів, можлива з прийняттям ряду припущень, що спрощують рішення цієї задачі та забезпечують достатню точність результатів:

- обидва проводи тягової мережі знаходяться в однакових умовах, напруга відносно землі кожного з них складає половину лінійної;

- ділянки тягової мережі розглядаються з зосередженими параметрами;

- провідність землі нескінченно велика;

- опір тіла людини при частоті 5 кГц активний;

-ізоляція проводу і компенсуючих конденсаторів має активно-ємнісний характер;

- режим роботи тягової мережі - встановлений.

Аналіз втрат струму компенсуючого конденсатора тягової мережі проведено з урахуванням напруг, діючих на ізоляцію, визначених за допомогою математичної моделі тягової мережі в гіперболічних функціях, та розробленої математичної моделі електробезпеки компенсуючого конденсатора. Дослідженнями встановлено, що існує залежність значення втрат струму від варіантів схем монтажу компенсаційних пунктів.

Коли компенсуючі конденсатори першого і другого проводів у певному перетині мережі розміщені в одній вибухобезпечній оболонці, струм через тіло людини, яка доторкнулася до зовнішньої поверхні оболонки, визначається в залежності від напруги U, опору ізоляції фаз мережі (Z1, Z2), ізоляції оболонки конденсаторів (Zо1, Zо2), ізоляції самих компенсуючих конденсаторів (Zс1, Zс2), з урахуванням опору тіла людини Rч та опору заземлення Rп

Аналогічно, якщо один компенсуючий конденсатор розміщений в окремій вибухобезпечній оболонці:

(2)

Коли необхідно компенсувати індуктивний опір дуже довгої або дуже короткої ділянки, в одну оболонку поміщають два, певним чином з’єднані, компенсуючі конденсатори. Струм через тіло людини в такому випадку визначиться залежністю

Розміщення компенсуючих конденсаторів першого і другого проводів мережі в одній вибухобезпечній оболонці дозволяє створити більш високий рівень безпеки компенсаційного пункту в зрівнянні з іншими варіантами розміщення конденсаторів. У зв'язку із зниженням рівня безпеки при розміщенні компенсуючого конденсатора в окремій вибухобезпечній оболонці необхідно зробити додаткове заземлення.

Пошкодження ізоляції оболонки або ізоляції конденсатора приводить до підвищення втрат струму, тому необхідно періодично контролювати стан заземлення вибухобезпечних оболонок компенсаційних пунктів. У всіх розглянутих випадках справне заземлення вибухобезпечної оболонки компенсуючого конденсатора - достатньо ефективний захід для безпечної експлуатації компенсуючих пристроїв тягової мережі.

У третьому розділі розглянуті режими роботи тягової мережі після міжвивідного короткого замикання на одному або кількох розміщених в різних перетинах компенсуючих конденсаторах. Показано, що в цьому випадку напруга в тяговій мережі значно перевищує розрахункову, мережа може експлуатуватися тільки в холостому режимі.

Проведено аналіз існуючих методів пошуку місця пошкодження в кабельних та повітряних лініях електропередачі. Оцінка принципів, на яких базується дія розглянутих методів, відносно тягової мережі безконтактного шахтного транспорту показує їх часткову або повну непригодність для пошуку місця розташування несправного компенсуючого конденсатора.

Визначити координату перетину тягової мережі, де розміщений пошкоджений конденсатор, можливо за значенням вхідного опору мережі. Математична модель вхідного опору тягової мережі в гіперболічних функціях не дозволяє це зробити, так як для її вирішення необхідно знати струм у місці включення компенсуючого конденсатора та його ємність. Крім того, методу ітерацій, що використовується для рішення, властиве низьке сходження в областях, близьких до резонансу, цей метод потребує одночасного сходження дійсної та реактивної складових моделі.

Виділити координату пошкодженого конденсатора дозволяє заміщення тягової мережі двопровідною мережею з ізольованною нейтраллю, при цьому електромагнітні процеси розглядаються окремо в кожному проводі з урахуванням їх дійсних, а не еквівалентних параметрів (рисунок).

Установлено, що параметри режиму ділянки однорідної лінії з розподіленими параметрами з періодично включеними неоднорідностями, описуються рівняннями в гіперболічних функціях. При наявності неоднорідності в місці її включення і стабільному струмі відбувається стрибкоподібна зміна напруги, а в перетині за неоднорідністю зміни параметрів режиму підпорядковуються тим же законам, але з новими граничними умовами.

Рис. 1. Схема поздовжньої компенсації тягової мережі

Вхідний опір тягової мережі буде дорівнювати вхідному опорові нульової ділянки з урахуванням її навантаження. Проводячи розрахунок вхідного опору з кінця лінії, враховуючи довжину ділянок та ємність конденсаторів, отримуємо значення вхідного опору, що залежить від первинних параметрів мережі, ємності компенсуючих конденсаторів та координати їх розміщення (рисунок).

Оскільки існує план розміщення компенсуючих конденсаторів на маршруті транспортування, математична модель вхідного опору Z вх тягової мережі в залежності від ємності та номера компенсуючого конденсатора має вигляд:

при k = 1 (4)

при k > 1

де: n - кількість компенсуючих конденсаторів тягової мережі; k=1n; Zн.n-k - опір навантаження ділянки, що розглядається; Ck - ємність k-го компенсуючого конденсатора; l - довжина мережі; xk - координата конденсатора; - частота; zв - хвильовий опір; - коефіцієнт поширення.

Метод вирішення такої моделі відноситься до точних методів. Використання математичної моделі (4) дозволяє реалізувати ряд варіантів схем вимірювання вхідного опору тягової мережі, які виконуються на перетворювальній підстанції для визначення місця розташування пошкодженого конденсатора з допустимою похибкою. Запропоновані способи реалізуються таким чином: вимірюється вхідний опір тягової мережі з заземленням початку першого або другого проводу; потім виконується заземлення виводу одного із компенсуючих конденсаторів і вимірюється вхідний опір кожного проводу.

При постійних значеннях первинних параметрів, частоти, кількості конденсаторів і довжині лінії визначається однозначна залежність вхідного опору від ємності та місця розташування якого-небудь компенсуючого конденсатора. Достоїнства цієї моделі в тому, що вона не потребує для вирішення ітераційних методів і може бути вирішена за кінцеву кількість операцій.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячено оцінці параметрів тягової мережі з урахуванням особливостей, що залежать від використаного способу пошуку несправного конденсатора, та визначенню частоти оперативного сигналу.

До складових математичної моделі вхідного опору тягової мережі (4) належать: частота, вторинні параметри довгої лінії - хвильовий опір і коефіцієнт розповсюдження. Значення вторинних параметрів визначається первинними параметрами лінії: питомі опір, провідність, ємність та індуктивність. У свою чергу, первинні параметри тягової мережі залежать від умов експлуатації та частоти. Враховуючи умови експлуатації при частотах від 5 до 50 кГц, питомі ємність та індуктивність тягової мережі змінюються незначно і їх можна вважати незмінними.

При збільшенні частоти ємнісний опір конденсаторів зменшується, а індуктивний опір ділянок мережі - підвищується. Тому частотні характеристики тягової мережі на частотах, вищих за робочу, подібні частотним характеристикам некомпенсованої короткозамкнутої довгої лінії великої довжини з втратами.

Моделювання показало, що вхідний опір тягової мережі, головним чином, залежить від координати компенсуючого конденсатора з міжвивідним коротким замиканням та частоти. Складові вхідного опору змінюються порізному. Найбільші зміни спостерігаються для реактивної складової при частотах, близьких до першого резонансу струмів. Тому місце розташування пошкодженого компенсуючого конденсатора раціонально визначати за значенням реактивного вхідного опору тягової мережі.

Частоту оперативного сигналу доцільно вибирати з умови максимальних змін реактивної складової вхідного опору, враховуючи нелінійність залежності. Оптимальним є вибір частот, які лежать в області першого резонансу струмів. Збільшення довжини лінії приводить до зменшення значення оптимальної частоти.

Під час експлуатації тягової мережі можливе відхилення дійсних значень первинних параметрів від розрахункових. Розрахована залежність змін складових вхідного опору тягової мережі від змін первинних параметрів показує, що значні відхилення вхідного опору від розрахункового значення визначаються зміною питомої індуктивності і провідності. Зміни питомої ємності та опору впливають на вхідний опір значно слабше.

Вимірювання реактивного вхідного опору мережі доцільно проводити за допомогою пристроїв, що грунтуються на трансформаторній вимірювальній ланці, яка забезпечує малу похибку в потрібному діапазоні частот. За робочу можна використовувати одну з двох близько розміщених частот, при яких реактивний опір в одному випадку має ємнісний, а в другому - індуктивний характер і змінюється максимально.

У п'ятому розділі виконано перевірку запропонованих способів визначення місця розташування пошкодженого компенсуючого конденсатора, експериментально підтверджено отримані закономірності і розроблені основні вимоги до пристрою визначення несправного конденсатора.

Розглянута тягова мережа характеризується реальними параметрами, але компенсуючі конденсатори в ній розміщені в проводі рівномірно і мають одинакову ємність. За таких умов залежність вхідного опору від місця розташування пошкодженого компенсуючого конденсатора завжди однозначна. Проведена оцінка способів визначення вхідного опору мережі показує, що точність локалізації пошкодження підвищується із зменшенням довжини досліджуваної лінії.

У тягових мережах великої довжини на початковій та кінцевій ділянках залежність вхідного опору від місця розташування несправного конденсатора згладжується. Для того щоб однозначно визначити який конденсатор вийшов з ладу, необхідна висока точність вимірювального пристрою. Використання запропонованих у третьому розділі способів дозволяє користуватися більш доступним вимірювальним устаткуванням і при цьому з достатньою точністю вказувати на місце розташування необхідного конденсатора.

Відмінності тягової мережі транспорту з індуктивною передачею енергії, що експлуатується у вугільній шахті, від мереж розглянутих раніше, зумовлені головним чином нерівномірним розташуванням компенсуючих конденсаторів на маршруті транспортування. Це приводить до виникнення неоднозначної залежності вхідного опору від координати пошкодженого конденсатора, але використання запропонованих способів вимірювання вхідного опору дозволяє в більшості випадків однозначно вказати на місце розташування несправного конденсатора. Адекватність експериментальних та розрахованих залежностей доведена за допомогою критерію Фішера.

Розроблені основні вимоги, структура і принципи проектування пристрою пошуку пошкодженого конденсатора з максимальним використанням блоків та вузлів вимірювального устаткування, що виготовляються серійно. Базуючись на сучасних цифрових вимірювальних приладах (генератор з цифровим синтезом частоти Г310 та цифровий вимірювальний міст типу Р5066), виготовлено та випробувано макет пристрою. Результати випробовувань у вугільній шахті виявили певні недоліки і підтвердили доцільність організації промислового виробництва пристрою.

Висновки

У дисертаційній роботі дано рішення актуальної задачі, що складається в установленні залежностей вхідного опору тягової мережі від стану і координат розташування її електроустаткування на маршруті транспортування й оцінці безпеки компенсаційного пункту після виходу з ладу компенсуючого конденсатора мережі. Аналіз залежностей параметрів режимів від значень ємності і координат розташування компенсуючих конденсаторів з урахуванням розподілених параметрів тягової мережі показав істотний вплив ємності конденсатора на вхідний опір тягової мережі та значне підвищення напруги на елементах ізоляції ушкодженої мережі в робочому режимі. Це дозволило розробити пристрій визначення місця розташування ушкодженого компенсуючого конденсатора, що забезпечує підвищення техніко-економічних показників транспортної системи. За результатами аналізу безпеки компенсуючих пристроїв розроблені рекомендації, що до підвищення рівня електробезпеки при експлуатації транспорту.

Основні результати теоретичних та експериментальних досліджень:

1. Розроблено математичну модель електробезпеки компенсуючих конденсаторів з урахуванням подовжніх і поперечних параметрів тягової мережі підвищеної частоти.

2. Математична модель тягової мережі на основі теорії ліній із розподіленими параметрами найбільш ефективна для оцінки впливу подовжніх параметрів у режимі, близькому до резонансу напруг, а поперечних – до резонансу струмів. Тому розроблена для оцінки впливу опорів ізоляції компенсаційних пунктів на електробезпеку математична модель грунтується на теорії ліній з розподіленими параметрами, доповненої деякими положеннями теорії зосереджених ланцюгів.

3. Досліджено параметри ізоляції компенсаційного пункту в діапазоні 4…6 кГц. Опір ізоляції вибухобезпечної оболонки вдвічі перевищує опір ізоляції конденсатора. У зв'язку з тим, що безпека компенсаційного пункту забезпечується головним чином ізоляцією вибухобезпечної оболонки, необхідний періодичний контроль її стану.

4. Встановлено, що при несправності одного з елементів ізоляції компенсаційного пункту, яка можлива внаслідок руйнації конденсатора, заземлення його вибухобезпечної оболонки створює необхідний рівень електробезпеки тягової мережі у післяаварійному режимі.

5. З позиції забезпечення електробезпеки компенсаційного пункту раціонально розміщення компенсуючих конденсаторів прямого і зворотного проводів мережі в одній вибухобезпечній оболонці. У противному випадку необхідна додаткова точка заземлення корпусу вибухобезпечної оболонки.

6. Розроблено математичну модель, що дозволяє визначити місце розташування ушкодженого конденсатора на маршруті транспортування за значенням вхідного опору тягової мережі.

7. З урахуванням значень первинних параметрів вхідний опір тягової мережі залежить від частоти і координати розташування компенсуючого конденсатора з міжвивідним коротким замиканням. Найбільші зміни спостерігаються для реактивної складової вхідного опору при частотах, близьких до першого резонансу струмів. Тому місце розташування ушкодженого компенсуючого конденсатора раціонально визначати за значенням реактивної складової вхідного опору тягової мережі в режимі резонансу струмів.

8. Частоту оперативного сигналу доцільно вибирати з умови максимальних змін реактивної складової вхідного опору. Оптимальним є вибір частоти, що лежить в області першого резонансу струмів. При цьому залежність реактивної складової вхідного опору тягової мережі від місця розташування несправного конденсатора нелінійна.

9. За робочу можна використовувати частоту оперативного сигналу, при якій реактивна складова вхідного опору змінюється максимально і не змінює характер. Зі збільшенням довжини транспортування значення цієї частоти зменшується.

10. Запропоновані варіанти схем виміру вхідного опору тягової мережі дозволяють зменшити похибку визначення місця розташування ушкодженого компенсуючого конденсатора, знизити вимоги до точності застосовуваних вимірювальних приладів до 9 %.

11. Оцінка збіжності розрахункових залежностей і експериментальних даних, виконана за критерієм Фішера, свідчить про їхню адекватність, тому що отримане значення F-критерію менше критичного.

12. Запропонована методика визначення місця розташування компенсуючого конденсатора з міжвивідним коротким замиканням припускає використання пристрою для пошуку місця короткого замикання на землю й обривів тягової мережі.

13. Застосування пристрою визначення місця розташування несправного компенсуючого конденсатора забезпечує підвищення ефективності застосування транспорту з індуктивною передачею енергії за рахунок зменшення часу аварійних простоїв, який склав 125 годин на рік (49 % загального часу, витраченого на ліквідацію несправностей).

Основний зміст дисертації опубліковано в таких роботах:

1.

1.

1.

1.

1.

Особистий внесок автора в роботах, опублікованих у співавторстві: розробка математичної моделі вхідного опору тягової мережі шахтного безконтактного транспорту підвищеної частоти [2], визначення особливостей аварійного режиму тягових мереж після виходу з ладу компенсуючого конденсатора [3] та розробка моделі безпеки компенсаційного пункту [4], реалізація методу розрахунку навантажень перетворювальної підстанції методами теорії ймовірностей [1], аналіз втрат електроенергії елементарної ділянки тягової мережі та розробка пропозицій щодо режимних показників для їх зменшення [5].

Анотація

Шедловський І. А. Засоби пошуку пошкоджених компенсуючих пристроїв тягової мережі шахтного безконтактного транспорту підвищеної частоти. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 “Електротехнічні комплекси та системи”. Національна гірнича академія України. Дніпропетровськ, 2000.

Захищаються результати досліджень взаємозв'язку параметрів режимів і параметрів електрообладнання тягових мереж безконтактного шахтного транспорту. З урахуванням зосереджених параметрів компенсаційних пунктів, розподілених параметрів та особливостей мережі розроблено математичну модель вхідного опору мережі та математичну модель електробезпеки компенсаційного пункту. На основі досліджень розроблено метод та пристрій визначення місця розташування компенсуючого конденсатора з міжвивідним коротким замиканням і рекомендації щодо підвищення рівня електробезпеки компенсаційного пункту. Це дозволяє підвищити ефективність транспортної системи шляхом зменшення часу на пошук та усунення несправності компенсуючих конденсаторів. Виконані дослідження відображені у 5 наукових працях.

Ключові слова: параметри режимів, параметри електрообладнання, тягова мережа, компенсуючий конденсатор, вхідний опір, метод, математична модель, електробезпека, ефективність.

АнНотация

Шедловский И.А. Средства поиска поврежденных компенсирующих устройств тяговой сети шахтного бесконтактного транспорта повышенной частоты. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 "Электротехнические комплексы и системы". Национальная горная академия Украины. Днепропетровск, 2000.

Диссертационная работа посвящена разработке методики и технических средств определения места расположения компенсирующего конденсатора с межвыводным коротким замыканием в тяговой сети шахтного транспорта с индуктивной передачей энергии. Рассмотрены и решены вопросы обеспечения электробезопасности компенсационного пункта в послеаварийном режиме, так как вследствие повреждения возможно разрушение компенсирующего конденсатора. это позволит значительно повысить эффективность транспортной системы за счет снижения затрат времени на поиск и устранение неисправности.

Решение поставленных задач произведено с учетом особенностей транспорта: тяговая сеть - неоднородная длинная короткозамкнутая линия; в рассечку прямого и обратного проводов периодически включены конденсаторы продольной емкостной компенсации (сосредоточенные неоднородности); ток в тяговой сети синусоидальный, стабилизированный, частотой 5 кГц; компенсирующие конденсаторы помещены в герметичные взрывобезопасные оболочки и распределены по всей длине транспортирования; точки приложения нагрузки – нестационарные.

Распределенные по длине тяговой сети реальные параметры режима, определены при помощи существующих математических моделей в гиперболических функциях. Разработана схема замещения тяговой сети как двухфазной двухпроводной линии с изолированной нейтралью, учитывающая параметры изоляции каждой фазы, элементы изоляции компенсационного пункта с учетом возможных вариантов размещения в нем компенсирующих конденсаторов. Созданная математическая модель электробезопасности компенсирующих устройств позволяет оценить опасность прикосновения человека к поверхности взрывобезопасной оболочки компенсирующего конденсатора.

На основании анализа существующих методов определения мест повреждения в воздушных и кабельных линиях и режимных показателей тяговых сетей доказано: повреждение компенсирующих устройств тяговой сети возможно определить по значению входного сопротивления тяговой сети, которое зависит от емкости и координаты расположения компенсирующих конденсаторов. Существующая математическая модель входного сопротивления в гиперболических функциях не позволяет однозначно указать на место расположения компенсирующего конденсатора с межвыводным коротким замыканием. С привлечением математического аппарата дискретной математики, применяемого для описания линий с распределенными параметрами, разработана математическая модель входного сопротивления тяговой сети, позволяющая однозначно определить зависимость входного сопротивления от места расположения поврежденного конденсатора.

Предложены способы определения входного сопротивления тяговой сети, позволяющие повысить достоверность результатов измерения. Определены условия выбора частоты, при которой разработанный метод имеет наибольшую чувствительность. Доказано, что определять место расположения аварийного конденсатора целесообразно по значению реактивной составляющей входного сопротивления сети.

С учетом реальных параметров тяговых сетей произведена оценка предложенных способов определения координаты поврежденного компенсирующего конденсатора и доказана адекватность теоретических и экспериментальных моделей.

Проведен анализ существующих средств и методов измерения входного сопротивления, на основании которого определен выбор принципов действия и основных характеристик измерительной аппаратуры. Разработаны основные требования и создан макет устройства определения места расположения компенсирующего конденсатора с межвыводным коротким замыканием. Шахтные испытания макета устройства доказали его работоспособность в условиях подземной выработки угольной шахты.

Результаты работы могут быть использованы при исследовании взаимосвязи режимных показателей и параметров электрооборудования в других, имеющих сходную структуру, неоднородных длинных линиях.

Ключевые слова: параметры режимов, параметры электрооборудования, тяговая сеть, компенсирующий конденсатор, входное сопротивление, математическая модель, электробезопасность, эффективность.

Abstract

I.A. Shedlovsky. Means of Search of the Damaged Compensating Devices in Traction Networks of Mine Contactless Transport of Raised Frequency.-Manuscript.

Thesis for a candidate’s degree in speciality 05.09.03 ‘Electrotechnical Complexes and Systems‘. National Mining University of Ukraine. Dnepropetrovsk, Ukraine, 2000.

The results of investigations dealing with operating conditions and the electrical equipment parameters in traction networks of the contactless mine transport interrelations are defended in thus paper. The mathematical model of the network input resistance and that of the compensation station electrical safety have been developed, taking into account the distributed parameters and the characteristic properties of the power network. On the basis of investigations the method and special device to define a place of compensative capacitor with the interoutlet short circuit have been developed as well as recommendations concerning the problem of raising the level of compensation station electric power safety. It makes it possible to raise the efficiency of the transport system by means of cutting the time needed to find out and eliminate all the faults in compensative capacitors. The investigations were analyzed and described in five scientific research papers.

Key words: operating conditions, electrical equipment parameters, compensative capacitor, input resistance, mathematical model, efficiency, electric power safety.