Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

Дворніков Анатолій Анатолійович

УДК 621.316.9:621.616.13

Засоби протиаварійного керування і діагностики

для систем електропостачання кар'єрів

Спеціальність:

05.09.03 - "Електротехнічні комплекси та системи"

Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електричних машин Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Науковий керівник:

- академік НАН України, доктор технічних наук, професор

Півняк Геннадій Григорович, Національний гірничий університет

Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), ректор,

завідувач кафедри систем електропостачання.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Кутін Василь Михайлович,

Вінницький національний технічний університет Міністерства освіти і

науки України, професор кафедри електричних станцій і систем.

- кандидат технічних наук, с.н.с. Лікаренко Анатолій Григорович,

Криворізький факультет Національної металургійної академії України

Міністерства освіти і науки України, доцент кафедри

електромеханічного обладнання заводів.

Провідна установа:

- Донецький національний технічний університет Міністерства освіти

і науки України, кафедра гірничої електротехніки і автоматики

ім. Р.М.Лейбова.

Захист відбудеться "_28_" _жовтня_ 2004 р. о _14_ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 по захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ, 27, просп. К.Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету

Міністерства освіти і науки України за адресою: м. Дніпропетровськ, пр. К.Маркса, 19.

Автореферат розісланий "_30_" _вересня__ 2004 р.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07,
канд. техн. наук, доцент А.А. Колб

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Забезпечення високої продуктивності праці на відкритих гірничих роботах нерозривно зв'язано з підвищенням енергооснащеності, надійності електропостачання і безпеки при експлуатації видобувного і допоміжного устаткування. Специфічні умови відкритих гірничих робіт обумовлюють часте виникнення аварійних режимів роботи електроустаткування, що представляють небезпеку для здоров'я і життя людей. Найбільш поширеним видом ушкодження в кар'єрних розподільних мережах напругою 6 кВ є замикання на землю. Розвиток відкритих гірничих робіт зв'язаний з ростом енергооснащеності праці, і як наслідок, з розвитком і ускладненням систем електропостачання. У свою чергу збільшення кількісних показників розподільних мереж і устаткування приводять до росту інтенсивності та імовірності ушкоджень, до погіршення умов електробезпеки.

За даними статистичних досліджень, найбільш розповсюдженими в розподільних мережах напругою 6 - 35 кВ є однофазні замикання на землю (до 60-70 % від усіх видів ушкоджень). Виникнення однофазного замикання на землю супроводжується перенапругами, що охоплюють всі елементи розподільної мережі і що приводять, як наслідок, до багатомісних замикань за рахунок пробою ослабленої ізоляції. Такі ушкодження є найбільш небезпечними як для обслуговуючого персоналу, так і для електроустаткування і варто прагнути до зниження імовірності їхньої появи.

Підвищення надійності електропостачання і поліпшення умов електробезпеки на кар'єрах залежать від успішного рішення комплексу питань, серед яких важливе місце займають питання створення комплексу засобів протиаварійного керування і діагностики для кар'єрних розподільних підстанцій.

Тому розвиток методів діагностування технічного стану і розробка принципів і технічних засобів протиаварійного керування при експлуатації кар'єрних систем електропостачання, спрямованих на підвищення їхньої ефективності, експлуатаційної надійності та електробезпеки, є актуальною науковою задачею.

Значний внесок у рішення питань забезпечення надійності та електробезпеки систем електропостачання гірничих підприємств внесли вчені Бацежев Ю.Г., Волотковський С.А., Груба В.І., Гімоян Г.Г., Гладілін Л.Б., Кириленко О.В., Ковальов П.Ф., Колосюк В.П., Коптіков В.П., Кутін В.М., Меньшов Б.Г., Петров О.О., Півняк Г.Г., Праховник А.В., Разумний Ю.Т., Самойлович І.С., Сирота І.М., Цапенко Є.Ф., Шидловський А.К., Шкрабець Ф.П., Щуцький В.І., Ягудаєв Б.М. та інші. Ведуча роль у розробці і впровадженні методів і засобів підвищення надійності та електробезпеки систем електропостачання гірничих підприємств в Україні належить колективам науково-дослідних інститутів: ІЕД НАН України, НДІАчермет, МакНДІ, НДІБТГ, Донецького Національного технічного і Дніпропетровського Національного гірничого університетів та ін.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалася відповідно до планів НДР Національного гірничого університету ("Дослідження екстремальних характеристик перехідних процесів в електричних мережах напругою вище 1000 В при несиметричних ушкодженнях і розробка методів і способів їхнього обмеження для умов гірничо-збагачувальних комплексів", № держ. реєст. 0100U001802; "Підвищення ефективності електропостачання на основі оптимізації режиму реактивних навантажень, протиаварійного керування і діагностики підстанцій напругою вище 1000 В,” № держ. реєст. 0102U004858); "Дослідження процесів і параметрів аварійних струмів та розробка методів компенсації ємнісної, активної і гармонійної складової струмів замикання на землю в електричних мережах напругою 6 – 10 кВ гірничо-збагачувальних комплексів", № держ. реєстр. 0102U003023.

Мета і задачі досліджень.

Метою дисертаційної роботи є створення комплексу діагностичного контролю і протиаварійного керування кар'єрними розподільними підстанціями напругою 6 кВ для підвищення рівня експлуатаційної надійності та електробезпеки розподільних мереж і електроустаткування.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі досліджень:

1. Розробити метод профілактичного контролю параметрів ізоляції щодо землі кар'єрного електроустаткування і мереж напругою 6 кВ без зняття робочої напруги.

2. Розробити пристрій автоматичного захисного відключення при обриві проводу повітряної ЛЕП, що виключає появу і розвиток аварійного режиму.

3. Обґрунтувати функціональні характеристики і розробити систему діагностики і керування розподільними підстанціями систем електропостачання кар'єрів.

Об'єкт досліджень. Процес зміни технічного стану елементів систем електропостачання кар'єрів у процесі експлуатації.

Предмет досліджень. Методи і засоби контролю параметрів ізоляції, захисту і протиаварійного керування для кар'єрних розподільних підстанцій напругою 6 кВ.

Методи виконання досліджень включають: аналітичні методи досліджень; математичне моделювання на основі формалізації досліджуваних процесів і побудови приватних математичних моделей; загальну теорію електричних кіл, а також натурні експерименти з метою практичної перевірки результатів теоретичних досліджень і прийнятих технічних рішень.

Ідея роботи полягає у використанні характеру і законів протікання процесів в електричних мережах кар'єрів для створення нових методів і засобів контролю ізоляції, діагностики і захисти.

Наукова новизна отриманих результатів:

Наукові положення:

1. Установлено залежність між значеннями фазних напруг мережі, напруги нейтралі та значеннями додаткових активних провідностей, які підключаються до відповідних фаз трифазної електричної мережі з ізольованою нейтраллю, що дозволяє визначати параметри ізоляції щодо землі відповідних фаз мережі без зняття робочої напруги в несиметричній системі.

2. Обрив фазного проводу повітряної лінії супроводжується появою несиметрії струмів і тимчасовою паузою порядку 1 с до моменту виникнення однофазного замикання на землю, що дозволяє оцінити аварійний режим і відключити напругу до моменту торкання проводом землі.

3. Однофазне замикання на землю з боку електроприймача, можливе при обриві проводу однієї з фаз повітряної ЛЕП, характеризується практично дворазовим зменшенням значень аварійного струму, струму і напруги нульової послідовності в порівнянні з класичним однофазним замиканням, що може з'явитися причиною неспрацьовування штатних пристроїв захисту.

Наукові результати досліджень:

1. Розроблено інженерний метод визначення під робочою напругою складових фазних провідностей ізоляції мережі щодо землі, який засновано на вимірі напруги зсуву нейтралі та фазних напруг до і після підключення до мережі додаткових активних провідностей.

2. Розроблено математичні моделі, що дозволяють оцінити вплив параметрів ізоляції, режиму заземлення нейтралі та перехідного опору в точці замикання на значення аварійного струму, струму і напруги нульової послідовності при однофазних замиканнях на землю в розподільних мережах з боку електроприймача.

3. Теоретично обґрунтовано і розроблено пристрій захисного відключення при обриві проводу кар'єрних повітряних ЛЕП, який дозволяє відключити аварійну лінію до появи замикання на землю, що різко зменшує імовірність розвитку аварії за рахунок виключення дії внутрішніх перенапруг, що супроводжують замикання на землю.

4. Запропоновано концепцію, розроблений алгоритм і створена на основі мікро-ЕОМ система діагностики, захисту і керування розподільними підстанціями напругою 6 кВ систем електропостачання кар'єрів.

Практичне значення отриманих результатів полягає в створенні інженерної методики непрямої оцінки параметрів ізоляції фаз мережі щодо землі під робочою напругою; в оцінці впливу замикання на землю з боку електроприймача на електробезпеку і на працездатність існуючих засобів захисту розподільних мереж від замикань на землю; у розробці пристрою захисного відключення при обриві проводу однієї з фаз кар'єрної повітряної ЛЕП.

Наукові положення, висновки і рекомендації використані:

- ЗАТ "НДІАчермет" - результати теоретичних досліджень, принципова та функціональна схема пристрою захисного відключення при обриві проводу повітряної ЛЕП для розробки проектно-конструкторської документації на пристрій;

- ЗАТ "НДІАчермет" - обґрунтування функціональних характеристик та алгоритм функціонування системи диспетчерського керування електричними розподільними підстанціями напругою 6 кВ внутрішнього електропостачання кар'єрів;

- Дніпропетровськими Східними електричними мережами ВАТ “Електропостачаюча компанія Дніпробленерго" змонтовані та включені в роботу два комплекти системи діагностики і диспетчерського керування електричними підстанціями відповідно на першій і другій секціях шин підстанції НМГ Новомосковського міського РЕМ (комплекти системи виготовлені на підприємстві “Вебер” Олександрійського електротехнічного заводу “ЕТАЛ”).

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується: відповідністю прийнятих при розробці математичних моделей допущень меті і задачам досліджень; обґрунтованістю вихідних посилок природознавчих наук, що випливають з фундаментальних законів, і основ теорії електричних кіл; задовільним збігом якісних характеристик результатів теоретичних досліджень з результатами експериментів, виконаних у реальних мережах і на фізичній моделі; практичним використанням результатів досліджень.

Особистий внесок здобувача складається в постановці задач досліджень, у теоретичному обґрунтуванні методу непрямого виміру провідностей фазної ізоляції щодо землі всієї мережі; в оцінці умов електробезпеки і створенні пристрою захисного відключення для кар'єрної розподільної мережі при обриві проводу повітряної ЛЕП; в обґрунтуванні функціональних характеристик і розробці алгоритму дії системи керування, захисту та діагностики для кар'єрних розподільних підстанцій; у розробці окремих функціональних вузлів мікропроцесорної системи керування, захисту і діагностики.

Внесок дисертанта у роботи, опубліковані у співавторстві: [4,9,10] – аналіз пошкоджуваності мереж та існуючих методів і пристроїв захисту та протиаварийного керування в системах електропостачання; [5] - оцінка впливу параметрів ізоляції, режиму нейтралі на значення аварійного струму при однофазних замиканнях на землю в мережах з боку електроприймача; [6,8] - обґрунтовання основних функціональних характеристик для системи керування, захисту і діагностики кар'єрних розподільних підстанцій і мереж напругою 6 кВ; [7,11] - теоретичне обґрунтування захисту від несиметричних режимів при обірванні проводу повітрянної ЛЕП.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали і результати, отримані в дисертаційній роботі, доповідалися та одержали схвалення на міжнародній науково-технічній конференції “Тиждень гірника” у Московському державному гірничому університеті, (м. Москва, Росія, 2002 р.); на науково-технічній конференції по автоматизації виробничих процесів (м. Дніпропетровськ, НГАУ, 2001 р.); на секції Вченого Ради ЗАТ "НДІАчермет" (м. Дніпропетровськ, 2003 р.); на наукових семінарах кафедри електричних машин Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ, 2003 р., 2004 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в одинадцяти наукових працях (з них 3 самостійно, 9 - у фахових виданнях, одна доповідь на конференції, один патент України).

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку літературних джерел із 96 найменувань (9 сторінок), чотирьох додатків (21 сторінка). Загальний обсяг дисертації – 188 сторінок, 36 рисунків (з них, 4 таблиці.

Зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність досліджень і сформульовані наукова задача, мета і задачі досліджень, наукові положення, що виносяться на захист, показані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів та їх апробація.

У першому розділі розглянуті особливості експлуатації електричних розподільних мереж на кар'єрах, існуючі методи контролю параметрів ізоляції, стан засобів захисту і протиаварійного керування в системах електропостачання кар'єрів.

Показано, що експлуатація розподільних мереж і устаткування в умовах відкритих гірничих робіт сполучена з високою їхньою пошкоджуваністю (з перевагою однофазних замикань на землю) і небезпекою застосування електричної енергії на кар'єрах; що в розподільних мережах кар'єрів у силу специфічних особливостей не одержали поширення засоби системної автоматики, протиаварійного керування і діагностики, що дозволяють запобігти аварійному режиму і виправити неселективну дію засобів захисту; що у вирішенні проблеми підвищення якісних експлуатаційних показників існуючих систем електропостачання важливе місце належить методам та засобам, які забезпечують зниження пошкоджуваності елементів систем електропостачання, а також оснащенню цих систем засобами випереджаючого пошуку місць з ослабленою ізоляцією та своєчасна локалізація ушкоджених ланок.

Виконаний аналіз і зроблені висновки дозволили виявити сутність наукової задачі, визначити мету і конкретні задачі досліджень.

У другому розділі викладені результати досліджень і розробки методу непрямої оцінки параметрів провідності ізоляції розподільчих мереж напругою 6 кВ на основі підключення до мережі додаткових провідностей. Основним недоліком відомого методу є вихідна вимога до симетрії системи, тобто, метод застосовуємо при повній симетрії фазних напруг і фазних провідностей ізоляції мережі щодо землі.

Однак, не завжди симетричному трикутникові лінійних напруг відповідає симетрична зірка фазних напруг. Таке можливо (якщо навантаження відсутнє або є симетричним) тільки при нульовому потенціалі нейтралі мережі щодо землі, що має місце при повній рівності провідностей кожної фази мережі щодо землі. Складніше обстоїть справа з фазною ізоляцією мережі щодо землі, що залежить від багатьох випадкових факторів, змінюється в часі й у загальному випадку не є симетричною. Ступінь несиметрії ізоляції також відноситься до випадкової величини і не контролюється. У загальному випадку напруга несиметрії виражається формулою:

, (1)

де - фазні напруги мережі.

Визначення повних провідностей ізоляції фаз і їх складових (активних і реактивних) щодо землі в трифазній електричній мережі з ізольованою нейтралью напругою вище 1000 В пропонується здійснювати способом, заснованим на штучній зміні величини напруги нульової послідовності шляхом включення додаткової активної провідності в усі три фази електроустановки у визначеній послідовності.

Еквівалентна схема заміщення для дослідження напруги зсуву нейтралі (нульової послідовності) при різних можливих варіантах підключення додаткових активних провідностей до фаз розподільної мережі приведена на рис. 1.

Для аналізу можливих режимів роботи розподільної мережі і встановлення закономірностей необхідних для розрахунку повних провідностей ізоляції щодо землі необхідно враховувати взаємне положення векторів фазних напруг (рис.2). При підключенні додаткової активної провідності до однієї з фаз, змінюється сумарна провідність фази щодо землі і змінюється напруга зсуву нейтралі і, відповідно, фазні напруги мережі.

Рис. 1. Еквівалентна схема заміщення для дослідження напруги зсуву нейтралі

Таким чином, якщо зробити три послідовних виміри і при різних варіантах включення додаткових провідностей, то можна одержати систему трьох рівнянь із трьома невідомими ( ). При цьому обмірювані значення ; варто представити в комплексній формі запису, для чого необхідно визначити в загальному виді значення кутів по векторній діаграмі ( рис.2.) для всіх можливих положень вектора .

При виведенні рівняння електричного стану для можливих варіантів схем включення додаткових провідностей як вихідний стан системи приймаємо:

- система є несиметричною, тобто напруги кожної фази щодо землі не рівні і не утворять правильну трипроменеву зірку;

- для одержання трьох рівнянь проводяться три виміри при трьох різних станах розподільної мережі, що відповідають різним варіантам включення додаткових провідностей.

Рис.2. Векторна діаграма

напруг у системі.

Аналіз показав, що ліві частини всіх рівнянь аналогічні, однак відрізняються значеннями і , що відповідають різним варіантам включення додаткових провідностей; праві частини всіх рівнянь включають значення додаткової провідності і співмножник, величина якого визначається різницею напруги фази, до якої підключена додаткова провідність, і напруги зсуву нейтралі в цьому режимі, тобто рівняння системи мають вид

= . (2)

Прийнявши в рівняннях системи наступні позначення

,

приведемо систему рівнянь до класичного виду:

(3)

Вирішуючи систему рівнянь, знаходимо визначник системи

; (4)

визначники по відповідної невідомим ( , , ):

; ; , (5)

і рішення системи

; ; . (6)

Практичне застосування представленої методики визначення параметрів провідності фазної ізоляції мережі щодо землі значно спрощується при використанні персонального комп'ютера. У цьому випадку у комп'ютер уводяться тільки вихідні дані , і , а також результати вимірів напруг у досліджуваній мережі.

Рис. 3. Загальна блок-схема алгоритму визначення параметрів

провідності ізоляції мережі

На рис. 3 приведені блок-схеми алгоритмів розрахунку значень складових провідностей ізоляції щодо землі окремих фаз трифазної мережі. У загальному випадку програма має два напрямки: 1 - визначення параметрів ізоляції в симетричній трифазній системі; 2 - визначення параметрів ізоляції в несиметричній трифазній системі. Ступінь несиметрії мережі, при якій відпрацьовується програма другого напрямку задається як обмежуюча умова.

У третьому розділі викладені результати дослідження процесів при обриві проводу повітряної ЛЕП і розробки захисту при такому ушкодженні, що у кар'єрних розподільних мережах складає близько 10% від усіх видів ушкоджень. Ступінь небезпеки названого аварійного режиму характеризується переходом аварійного режиму в однофазне замикання на землю при торканні обірваного проводу землі. При цьому, в залежності від місця розриву проводу стосовно опори ЛЕП, можливі три режими замикання:

- замикання на землю з боку джерела;

- замикання на землю з боку електроприймача;

- замикання на землю в двох точках, з боку джерела і з боку електроприймача одночасно.

У загальному випадку вираження для напруги нульової послідовності, струму замикання і струмів нульової послідовності при однофазному замиканні на землю з боку електроприймача мають вигляд:

, (7)

, (8)

, (9)

. (10)

Якщо зневажити впливом активного опору ізоляції мережі і приєднань, то при глухому замиканні фази на землю з боку електроприймача струм замикання і відповідні струми нульової послідовності визначаться вираженнями:

, (11)

, (12)

, (13)

де - індуктивність обмотки електроприймача (навантаження).

Дослідження процесів відповідно до приведених виражень дозволили зробити наступні висновки:

- при ушкодженнях з боку електроприймача в мережах з ізольованою нейтралью діюче значення напруги і струму нульової послідовності, а також власного струму ушкодженого приєднання для реальних параметрів ізоляції мережі й опорів обмоток електроприймачів навіть при значенні перехідного опору в точці ушкодження рівному нулю практично в два рази менше значень відповідних величин при замиканнях у тій же мережі з боку джерела живлення;

- характер і ступінь впливу параметрів ізоляції мережі щодо землі і значення перехідного опору в точці ушкодження на значення напруги нульової послідовності і струмів аналогічний впливу зазначених параметрів при однофазному замиканні на землю з боку джерела;

- характер і ступінь впливу режиму настроювання пристрою, що компенсує, і значення перехідного опору в точці ушкодження на значення і фазу напруги і струмів нульової послідовності аналогічні впливу зазначених величин у випадку класичного замикання фази на землю;

- резистор у нейтралі мережі при розглянутому ушкодженні по характеру впливу на параметри нульової послідовності можна оцінити як зниження активного опору ізоляції щодо землі в мережі з ізольованою нейтралью при тім же ушкодженні;

- фазові характеристики параметрів нульової послідовності в порівнянні з класичним видом замикань за інших рівних умов відрізняються зрушенням відповідних векторів на кут близький до 180 град.ел..

При замиканні фази на землю з боку джерела і електроприймача одночасно, діючі значення і положення векторів струму замикання, а також струми і напруги нульової послідовності визначаються в основному співвідношенням перехідних опорів у точках ушкодження. Фазові характеристики векторів напруги і струми нульової послідовності при змішаному ушкодженні теоретично можуть змінюватися в діапазоні 270° у мережах з ізольованою нейтралью й у діапазоні 360° у мережах з компенсованою нейтралью.

З викладеного також випливає, що при безпосередньому дотику людини до провідника розірваної фази з боку електроприймача, також як і при дотику до струмоведучих частин розподільної мережі в будь-якому іншому місці при напрузі мережі б кВ і більш, імовірність смертельного результату з урахуванням реальних параметрів ізоляції і часу дії комутаційних апаратів практично дорівнює одиниці. Значення струмів через тіло людини при розглянутому ушкодженні при відсутності додаткових ізоляційних засобів, значно перевищують короткочасно безпечні значення струмів.

Виконані дослідження параметрів нульової послідовності при несиметричних ушкодженнях у розподільних мережах і працездатності засобів захисту показали, що можливо аварійні режими й умови їхнього існування, при яких ймовірне неспрацьовування найбільш розповсюджених засобів захисту від замикань на землю. Зокрема, до таких аварійних режимів варто віднести замикання на землю з боку електроприймача, при яких напруга і струми нульової послідовності за інших рівних умов зменшуються вдвічі. Якщо при цьому врахувати перехідний опір у точці замикання, то імовірність неспрацьовування пристроїв захисту різко зростає.

Для виключення зазначеного аварійного режиму і запобігання подальшого розвитку аварії пропонується мати пристрій захисного відключення при обриві фазного проводу ЛЕП. При цьому такий захист при відповідній її реалізації здатен запобігти появі режиму замикання на землю при обриві проводу за рахунок відключення лінії від джерела до моменту торкання обірваним проводом землі.

Інтервал часу від моменту розриву фазного проводу до торкання його з землею:

, (14)

де h - висота підвіски фазного проводу кар'єрної розподільної мережі напругою 6 кВ (6 м); g - прискорення вільного падіння.

Розрахунки показують, що існує реальна можливість за допомогою пристрою захисту від обриву фазного проводу запобігти режимові замикання на землю, тому що інтервал часу від обриву проводу до торкання землі дорівнює 1,1 с, а час відключення складе менш 0,3 с.

На рис. 4 представлена функціональна схема розробленого пристрою захисту повітряної лінії від обриву фазного проводу. Пристрій містить погоджувальні елементи 1, 2 і 3, підключені до первинних датчиків кожної фази; схему збігу І на три входи (4); логічний елемент АБО (5); логічний елемент І-НІ (6); елемент затримки сигналу (7); логічну схему збігу І на два входи (8) і вихідний блок (9).

Рис. 4. Функціональна блок_схема пристрою захисного

відключення ВЛ при обриву фазного проводу.

У четвертому розділі подані результати розробки методів і технічних засобів підвищення ефективності експлуатації розподільних мереж.

На електричних розподільних підстанціях напругою 6 кВ дотепер не знайшли застосування комплексні засоби протиаварійного керування, захисту і діагностики. Окремі функціональні пристрої захисту і системної автоматики виконані в основному на електромеханічній і напівпровідниковій елементній базі і, як правило, не повною мірою відповідають функціональним вимогам.

В даний час розподільні пристрої напругою 6-10 кВ кар'єрних підстанцій обладнюються комплектними ячейками, що містять засоби максимального струмового захисту, захисту від замикання на землю і кола керування. Елементна база засобів захисту ячеєк значно відстає від сучасного рівня, а функціональні можливості комплектних розподільних пристроїв вимагають значного розширення.

На основі аналізу функціональних характеристик системи керування і захисту розподільних пристроїв виникла необхідність доповнення зазначеної системи елементами діагностики не тільки стану вузлів самої ячейки, але і стану відключеної лінії електропередачі в нормальному й аварійному стані.

Відповідно до зазначених вимог до систем електропостачання гірничих підприємств і для усунення виявлених недоліків, з обліком напрацьованого в гірничих галузях досвіду експлуатації комплектного електроустаткування підстанцій, у створену систему керування, захисту і діагностики для комплектних розподільних пристроїв закладені наступні функції:

- контроль стану комутаційного апарата включено/ виключено;

- контроль наявності напруги на шинах і в оперативних колах;

- випереджальний контроль ізоляції на приєднаннях, що відходять;

- захист приєднання, що відходить, від коротких замикань і перевантажень;

- контроль справності максимального струмового захисту;

- захист (сигналізація) від замикань на землю;

- контроль справності захисту (сигналізації) від замикань на землю;

- захист від обриву проводу повітряної ЛЕП;

- контроль справності захисту від обриву проводу повітряної ЛЕП;

- автоматичне повторне включення;

- контроль положення ячейки, справності блокувань:

- формування і збереження в оперативній пам'яті сигналів відповідно до роботи функціональних блоків.

На основі виконаних досліджень для рішення поставлених задач найбільш прийнятною через простоту апаратної реалізації виявилася однокристальна мікро-ЕОМ. На рис. 5 представлений алгоритм роботи системи керування і діагностики комплектними розподільними пристроями, програма реалізації якого розроблена для випускаємого НВО "Етал" (м. Олександрія) процесора ПМІ01НП на базі однокристальної мікро-ЕОМ КР1816ВЕ31.

Робота програми побудована циклічним образом, заснованим на постійному аналізі вхідних даних і при порушенні роботи системи що активізує відповідні вихідні сигнали. Достоїнством даної системи є те, що на одній і тій же елементній базі можна організувати різні алгоритми керування простою заміною керуючої програми. Таким чином, досягається найбільша гнучкість пристрою керування.

Найбільш оптимальною схемою побудови практично будь-якої мікропроцесорної системи є схема з модульним принципом компонування, оскільки така схема передбачає можливість подальшого розширення і модернізації системи при найменших конструктивних змінах або навіть дозволяє обійтися колишньою конструкцією.

Основні технічні характеристики розробленої системи диспетчерського керування, захисту і діагностики є:

- один блок системи забезпечує обслуговує 8 ячеєк (ліній);

- максимальне видалення робочого місця диспетчера від об'єкта керування 5 км;

- лінія зв'язку – телефонна пара, що некомутується.

Рис. 5. Алгоритм роботи системи керування і діагностики КРУ.

Одним зі складних і функціонально важливих блоків системи керування і діагностики є пристрій АПВ із випереджальним контролем ізоляції. На рис. 6 представлена функціональна схема розробленого пристрою АПВ із випереджальним контролем ізоляції для кар'єрних мереж. На схемі позначено:

ГТІ – генератор тактових імпульсів, виробляє прямокутні імпульси, що випливають з частотою 50 Гц які необхідні для синхронізації роботи пристрою;

ДЧ – дільник частоти, призначений для перетворення сигналів ГТІ для зв'язку з адресними входами програмного блоку;

БКВН – блок контролю високої напруги;

БУВП – блок керування вимикачами типу ВВ-20 пристрою приєднання при виконанні операцій контролю наявності на ЛЕП напруги і виміри опору ізоляції ЛЕП щодо землі;

ПП – пристрій приєднання, призначений для зв'язку пристрою АПВ із відключеною лінією;

БКІ – блок контролю ізоляції, що забезпечує вимір і оцінку рівня ізоляції щодо землі відключеної ЛЕП;

БКСВ – блок керування силовим вимикачем приєднання, що обслуговується.

Рис. 6. Функціональна схема пристрою АПВ для кар'єрних мереж

Відповідно до алгоритму і функціональної схеми розроблений як окремий функціональний пристрій АПВ для кар'єрних ліній з попереднім (випереджальним) контролем ізоляції, що складається з трьох основних складових частин: блоку керування і контролю ізоляції; пристрою приєднання; датчика наявності високої напруги.

У п'ятому розділі наведені результати досліджень працездатності розробок. Проведені експериментальні дослідження, а також лабораторні, стендові й експлуатаційні випробування, розроблені системи діагностики, захисту і керування кар'єрними підстанціями і пристрій захисного відключення підтвердили правильність теоретичних висновків, запропонованих принципів дії пристроїв і прийнятих схемних рішень.

Система диспетчерського керування електричними підстанціями, призначена для здійснення автоматичного контролю за станом високовольтних комутуючих апаратів розподільних мереж напругою 6, 10 кВ, автоматичного відключення ліній (сигналізації) при замиканні на землю на приєднаннях, автоматичної діагностики справності схем і кіл захисту, а також дистанційного включення і відключення комутуючих апаратів безпосередньо з робочого місця диспетчера й автоматичної сигналізації диспетчерові про появу аварійних режимів у мережах, підготовлена до освоєння на підприємстві “Вебер” Олександрійського електротехнічного заводу “ЕТАЛ” і випущені два комплекти.

В И С Н О В К И

У дисертаційній роботі в результаті теоретичних і експериментальних досліджень вирішена наукова задача, що полягає в розвитку методів діагностування технічного стану і розробці принципів і технічних засобів протиаварійного керування при експлуатації кар'єрних систем електропостачання, спрямованих на підвищення їхньої ефективності, експлуатаційній надійності й електробезпечності.

Основні наукові результати, висновки і практичні рекомендації дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. На основі статистичних досліджень і огляду літературних джерел установлено, що найбільш розповсюдженими ушкодженнями в розподільних мережах напругою 6 кВ системи електропостачання кар'єрів є однофазні замикання на землю, у тому числі й обриви проводу повітряної ЛЕП, що у загальному випадку становлять небезпеку як для ізоляції електричних мереж і установок, так і для обслуговуючого персоналу.

2. Уперше запропонований інженерний метод визначення значень провідності ізоляції та її складових окремих фаз в трифазній електричній мережі з ізольованою нейтралью, заснований на штучному одержанні напруги зсуву нейтралі шляхом включення додаткових активних провідностей до фаз мережі. Метод є працездатним при будь-якій можливій нессиметрії фазних напруг, обумовленій нерівністю провідностей ізоляції.

3. Розроблено математичні моделі, що дозволяють оцінити вплив параметрів мережі і заземлення нейтралі на складові аварійних струмів і параметри нульової послідовності при однофазних замиканнях на землю з боку електроприймача в результаті обриву проводу повітряної ЛЕП. Установлено, що при обриві проводу однієї з фаз повітряної ЛЕП можливе однофазне замикання на землю з боку електроприймача, при якому значення аварійного струму, струми і напруги нульової послідовності зменшуються практично вдвічі в порівнянні з класичним однофазним замиканням, що може з'явитися причиною неспрацьовування струмових і спрямованих пристроїв захисту.

4. Уперше запропоновано і розроблено пристрій захисного відключення при обриві проводу кар'єрних повітряних ЛЕП, який дозволяє відключити аварійну лінію до появи замикання на землю, що різко зменшує імовірність розвитку аварії за рахунок виключення дії внутрішніх перенапруг, що супроводжують замикання на землю.

5. Уперше для кар'єрних систем електропостачання з урахуванням вимог галузевих Правил, розроблені структура, алгоритм і на основі мікро - ЕОМ виконано синтез системи керування, захисту і діагностики кар'єрних розподільних підстанцій і мереж напругою 6 кВ. У рамках системи розроблено алгоритм, обґрунтовані основні технічні характеристики і реалізовано пристрій автоматичного повторного вмикання з випереджальним контролем напруги вибігу мережного електродвигуна й опору ізоляції відключеного приєднання для кар'єрних розподільних мереж напругою 6 кВ.

6. Реалізація і впровадження розроблених методу контролю ізоляції, системи діагностики, захисту і керування розподільними підстанціями напругою 6 кВ систем електропостачання кар'єрів і пристрою захисного відключення при обриві проводу повітряної ЛЕП дозволить підвищити умови електробезпечності і надійності систем електропостачання в цілому й одержати економічний ефект.

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах:

1. Дворников А.А. Напряжение несимметрии в електрических сетях с изолированной нейтралью // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. – техн. зб. – 2000. – Вип. 65. –С.12-16.

2. Дворников А.А. Оценка условий электробезопасности при обрыве провода воздушной ЛЭП напряжением 6 – 35 кВ. // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. рпаць / Ін-т геотехнічної механіки НАН України, -Дн-ськ, 2000. –Вип.25. - С.106-110.

3. Дворников А.А. Составляющие тока замыкания на землю в электрических сетях в установившемся режиме // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. – техн. зб. – 2001. – Вип. 67. –С.32-37.

4. Пивняк Г.Г., Шкрабец Ф.П., Дворников А.А. Состояние средств защиты и противоаварийного управления в системах электроснабжения карьеров // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. – техн. зб. – 2004. – Вип. 72. – С.7-12.

5. Пивняк Г.Г., Шкрабец Ф.П., Дворников А.А. Аварийные токи при обрыве фазного провода воздушной ЛЭП // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. – техн. зб. – 2003. – Вип. 70. – С. 9-15.

6. Шкрабец Ф.П., Дворников А.А. Функциональные характеристики автоматизированной системы диагностики и управления комплектными распределительными устройствами // Геотехнічна механіка: Міжвід. зб. наук. рпаць / Ін-т геотехнічної механіки НАН України, -Дн-ськ, 2000. –Вип.21. С.35-39.

7. Шкрабец Ф.П., Дворников А.А., Горденко В.И. Защитное отключение при обрыве провода воздушной ЛЭП. // Сб. научн. трудов Днепропетровского технического университета железнодорожного транспорта. -Дн-вск, 2000. –С.125-127.

8. Шкрабец Ф.П., Скосырев В.Г., Дворников А.А. Автоматический контроль параметров изоляции электрических сетей напряжением 6 - 35 кВ. // Сборник научных трудов НГА Украины №11, том 2 – Днепропетровск, РИК НГА Украины, 2001. –С.41-45.

9. Куваев Ю.В., Дворников А.М., Дворников А.А. Восстановление электроснабжения при двойных замыканиях на землю на однотрансформаторных подстанциях с одной системой шин // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. – техн. зб. – 2001. – Вип. 66. –С.9-14.

10. Пивняк Г.Г., Дворников А.А. Восстановление электроснабжения при неполнофазных режимах и двухфазных коротких замыканиях // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. – техн. зб. – 2001. – Вип. 68. –С.10-15.

11. Деклараційний патент України на винахід № 64542 Пристрій захистувід несиметричних режимів електричної мережі з ізольованою або компенсованою нейтрацю // Шкрабець Ф.П., Дворніков А.А., Остапчук О.В., Горденко В.І. / Бюл. № 2, 2004.

Анотація

Дворніков А.А. Засоби протиаварійного керування і діагностики для систем електропостачання кар'єрів – Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – "Електротехнічні комплекси та системи". – Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2004.

Дисертація присвячена розробці принципів і технічних засобів підвищення рівня експлуатаційної надійності і поліпшенню умов електробезпеки в системах електропостачання відкритих гірничих робіт.

Запропоновано інженерний метод визначення значень провідності ізоляції та її складових окремих фаз в трифазній асиметричній системі з ізольованою нейтралью, заснований на штучному одержанні напруги зсуву нейтралі шляхом включення додаткових активних провідностей до фаз мережі. Метод є працездатним при будь-якій можливій несиметрії фазних напруг, обумовленій нерівністю провідностей ізоляції. Дано обґрунтування і розроблений пристрій захисного відключення при обриві проводу кар'єрних повітряних ЛЕП, який дозволяє відключити аварійну лінію до появи замикання на землю, що різко зменшує імовірність розвитку аварії за рахунок виключення дії внутрішніх перенапруг, що супроводжують замикання на землю.

Уперше для кар'єрних систем електропостачання з урахуванням вимог галузевих Правил, розроблені структура, алгоритм і на основі мікро - ЕОМ виконано синтез системи керування, захисту і діагностики кар'єрних розподільних підстанцій і мереж напругою 6 кВ. У рамках системи розроблено алгоритм, обґрунтовані основні технічні характеристики і реалізовано пристрій автоматичного повторного включення з випереджальним контролем напруги вибігу мережного електродвигуна й опору ізоляції відключеного приєднання для кар'єрних розподільних мереж напругою 6 кВ.

Ключові слова: розподільні мережі, режим нейтралі, захист, діагностика, контроль ізоляції, накладений оперативний струм.

Аннотация

Дворников А.А. Средства противоаварийного управления и диагностики для систем электроснабжения карьеров. – Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – "Электротехнические комплексы и системы". – Национальный горный университет, Днепропетровск, 2004.

Диссертация посвящена разработке принципов и технических средств повышение уровня эксплуатационной надежности и улучшению условий электробезопасности в системах электроснабжения открытых горных работ.

Предложен инженерный метод определения значений проводимости изоляции и ее составных отдельных фаз в трехфазной асимметрической системе с изолированной нейтралью, основанный на искусственном получении напряжения смещения нейтралы путем включения дополнительных активных проводимостей к фазам сети. Метод является работоспособным при любой возможной несимметрии фазных напряжений, обусловленной неравенством проводимостей изоляции.

Разработаны математические модели, позволяющие оценить влияние параметров изоляции, режима заземления нейтрали и переходного сопротивления в точке замыкания на значения аварийного тока, тока и напряжения нулевой последовательности при однофазных замыканиях на землю в распределительных сетях со стороны электроприемника. Показано, что однофазное замыкание на землю со стороны электроприемника, возможное при обрыве провода одной из фаз воздушной ЛЭП, характеризуется практически двукратным уменьшением значений аварийного тока, тока и напряжения нулевой последовательности по сравнению с классическим однофазным замыканием, что может явиться причиной несрабатывания штатных устройств защиты. Теоретически обосновано и разработано устройство защитного отключения при обрыве провода карьерных воздушных ЛЭП, позволяющее отключить аварийную линию до появления замыкания на землю, что резко уменьшает вероятность развития аварии за счет исключения действия внутренних перенапряжений, сопровождающих замыкания на землю.

Впервые для карьерных систем электроснабжения на основе требований отраслевых Правил, разработанны структура, алгоритм и на основе микро - ЭВМ выполнен синтез системы управления, защиты и диагностики карьерных распределительных подстанций и сетей напряжением 6 кВ. В рамках системы разработан алгоритм, обоснованы основные технические характеристики и реализовано устройство автоматического повторного включения с опережающим контролем напряжения выбега сетевого электродвигателя и сопротивления изоляции отключенного присоединения для карьерных распределительных сетей напряжением 6 кВ.

Показано, что реализация и внедрение разработанных метода контроля изоляции, системы диагностики, защиты и управления распределительными подстанциями напряжением 6 кВ систем электроснабжения карьеров и устройства защитного отключения при обрыве провода воздушной ЛЭП позволит повысить условия электробезопасности и надежности систем электроснабжения в целом и получить экономический эффект.

Ключевые слова: распределительные сети, режим нейтрали, защита, диагностика, контроль изоляции, наложенный оперативный ток.

Abstract

Dvornikov A.A. Facilities of anti-damage control and diagnostics for the systems of power supply of open-cut mines. - Manuscript. Thesis for candidate of technical science degree by specialty 05.09.03 - Electrotechnical complexes and systems. - National Mining University, Dnepropetrovsk, 2004

Thesis is devoted to development of principles and hardwares of increase of level of operating reliability and improvement of terms of electrosecurity in the systems of power supply of the opened mining works.

The engineering method of determination of values of isolation conductivity and its component separate phases in the three-phase asymmetric system with isolated midpoint wire, based on the artificial receipt of voltage of change midpoint wire by the inclusion of additional active conductivity to the phases of network, is offered. A method is capable of working at any possible phase voltages dissymmetry, conditioned by inequality of isolation conductivity. Reasoning is given and the