Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

ВАРЕНИК Євген Олександрович

УДК 621.316.9:621.616.13

Обмеження та захист від витоків струму

у рудникових електроустановках напругою 1200 В

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 систем електропостачання 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 Коптиков Віктор Павлович, Державний Макіївський НДІ з безпеки робіт у гірничій промисловості (МакНДІ) Міністерства палива та енергетики України, заступник директора з наукової праці;

- 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 "_9_" __грудня__ 2004 р. о 1415_ 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 в бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою: м. Дніпропетровськ, просп. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий "_5_" __листопада__ 2004 р.

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

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Видобуток копалин і їх переробка – галузь гірничої справи, що досягла нині високого технологічного рівня і здійснює істотний вплив на розвиток важкої індустрії й економіки країни в цілому.

Вибухозахищене і рудникове електроустаткування повинне забезпечити безпеку застосування електроенергії і високу надійність у специфічних умовах підземних підприємств гірничодобувних галузей промисловості (шахт, рудників), а також підприємств хімічної, нафтової, газової й інших галузей народного господарства, що мають вибухонебезпечну атмосферу.

Для збільшення потужності і продуктивності гірничих машин і механізмів необхідно підвищувати напругу живлення цих машин. Підприємства вугільної і деяких інших галузей гірничодобувної промисловості перейшли на живлення технологічного устаткування напругою 660 В и в дійсний час проводять роботи з масового переводу систем електропостачання на наступну ступінь напруги – 1140 В.

Підвищення номінальної напруги і застосування складних електронних схем в апаратах захисту привело до необхідності створення і впровадження апаратів, що знижують струми витоку на землю, у тому числі струм через людину, яка опинилася під напругою, і що забезпечують необхідні параметри надійності, точності і чутливості при застосуванні нестабільних елементів, таких як транзистори, реле й ін. Треба було також рішення питань технологічності і підвищення ремонтоздатності апаратів за рахунок такої побудови їхніх схем, при якому забезпечується взаємозамінність нестабільних елементів без необхідності додаткового регулювання пристроїв.

Тому розвиток методів мінімізації значень і терміну дії струмів витоку та створення системи контролю опору ізоляції й захисту від струмів витоку для рудникових електроустановок напругою до 1200 В, що забезпечують підвищення їхньої електробезпеки й експлуатаційної надійності, є актуальною науковою задачею.

Значний внесок у рішення питань забезпечення електро- і пожежобезпеки, а також надійності систем електропостачання підземних гірничодобувних підприємств внесли вчені Бацежев Ю.Г., Волотковський С.А., Груба В.І., Дзюбан В.С., Ковальов П.Ф., Колосюк В.П., Коптіков В.П., Лейбов Р.М., Озерний М.І., Півняк Г.Г., Розумний Ю.Т., Сєров В.І., Сирота І.М., Траубе Є.С., Цапенко Є.Ф., Шкрабець Ф.П., Щуцький В.І., Ягудаєв Б.М. і інші. Ведуча роль у створенні й удосконалюванні вибухозахищеного і рудникового електроустаткування належить колективам: УкрНДІВЕ, МакНДІ, НДІБПГ, ІЕД НАН України, Донецького Національного технічного і Дніпропетровського Національного гірничого університетів і ін.

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

Робота виконувалася відповідно до планів НДІ УкрНДІВЕ ("Розробка універсальної вибухобезпечної трансформаторної підстанції, реле витоку, комплектного пристрою керування модульного типу й електродвигунів потужністю 7,5-37 кВт напругою 1140/660 В." Дог. № П219502000М-Ц2) і Національного гірничого університету ("Створення теорії і синтез селективного захисту від витоків високовольтних мереж вугільних шахт", № держ. реєстр. 0104U000781).

Метою дисертаційної роботи є забезпечення умов електро- і пожежобезпеки при експлуатації рудникових електроустановок напругою до 1200 В на основі створення системи контролю і захисту від дії струмів витоку. Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні задачі досліджень:

1. Обґрунтувати методи і засоби зниження значень струмів витоку й обмеження їхнього негативного впливу в дільничних електричних мережах напругою до 1200 В систем електропостачання вугільних шахт.

2. Теоретично обґрунтувати метод і розробити пристрій автоматичного контролю опору ізоляції для рудникових електроустановок напругою до 1200 В.

3. Розробити структурну, принципову схему і конструкцію системи захисту від струмів витоку для шахтних мереж напругою 1140 В.

Об'єкт досліджень. Процеси формування і зміни струму витоку і його складових у дільничних мережах напругою 1200 В в залежності від кількісних і якісних показників систем електропостачання вугільних шахт.

Предмет досліджень. Методи і засоби контролю параметрів ізоляції дільничної мережі щодо землі і захисту від негативної дії струмів витоку.

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

Наукова новизна отриманих результатів:

Наукові положення, що виносяться на захист, їхня новизна:

1. Значення ємності щодо землі реальних дільничних мереж напругою 1200 В досягають значень, при яких струм однофазного витоку практично не залежить від активного опору ізоляції мережі щодо землі його і може значно перевершувати довгостроково припустиме значення, що змінює підхід до визначення параметрів спрацьовування захисту – забезпечувати відключення виходячи з умови перевищення струмом витоку припустимого значення.

2. При дотику людини до струмоведучих частин струм через людину для реальних параметрів електричної мережі напругою 1200 В може значно перевищити безпечне значення після відключення джерела живлення за рахунок дії е.р.с. електродвигунів гірничих машин до моменту зниження е.р.с. до значення недостатнього для утримання контакторів магнітних пускачів у включеному стані, що визначає більш жорсткі вимоги до режиму роботи пристроїв компенсації ємнісної складової струму витоку і швидкодії системи захисного відключення.

3. В міру наближення режиму настроювання дроселя, що компенсує, до резонансного стосовно фактичної ємності мережі щодо землі, зростають значення напруг щодо землі неушкоджених фаз мережі і зменшується значення напруги ушкодженої фази мережі, що дає можливість на основі контролю відносних значень напруг фаз щодо землі та точного автоматичного настроювання дроселя, що компенсує, у резонанс із ємністю мережі, забезпечити необхідну чутливість вибору ушкодженої фази.

Наукові результати досліджень:

1. У дільничних мережах напругою 1200 В значення струмів витоку, обумовлені фізичними параметрами системи електропостачання, і тривалості їхнього протікання досягають таких значень, при яких безпека людини може бути забезпечена, поряд з контролем активного опору ізоляції і захисним відключенням, застосуванням пристроїв автоматичної компенсації ємнісної складової та захисним заземленням ушкодженої фази.

2. Точне настроювання пристрою компенсації ємнісної складової струму витоку в резонанс із фактичною ємністю щодо землі рудникової електричної мережі напругою 1140 В, забезпечує необхідні уставки засобів виявлення фаз електричних мереж з ушкодженою ізоляцією й ефективне зниження короткочасних струмів витоку.

3. З урахуванням реальних параметрів ізоляції, у мережах напругою 1140 В головною задачею захисного відключення є відключення підземних мереж при струмах витоку, що перевищують припустиме значення, тобто, при виборі параметрів спрацьовування захисту варто виходити з умови відключення мережі при перевищенні струмом витоку припустимого значення на відміну від умови не перевищення струмом витоку припустимого значення, реалізованого в мережах напругою 380 і 660 В.

4. Теоретично обґрунтований метод і розроблена схема пристрою визначення фази мережі з ушкодженою ізоляцією з наступним закорочуванням її на землю, заснованого на контролі відносних значень напруг фаз мережі щодо землі і що має максимальну чутливість у режимі точного настроювання дроселя, що компенсує, у резонанс із фактичною ємністю мережі щодо землі.

5. Автоматичний контроль справності елементів розробленої схеми контролю опору ізоляції, працюючої на принципі порівняння вимірювального й еталонного струмів, забезпечується трьома методами: створенням штучного струму витоку; використанням транзисторів у режимі періодичного відкривання-закривання; включенням виконавчого реле таким чином, що струм у його обмотці знижується як у випадку виникнення витоку в мережі, так і при ушкодженні елементів схеми.

Практичне значення отриманих результатів полягає в:

- створенні системи захисту від струму витоку для мереж напругою 1200 В, що забезпечує: ефективне зниження значень струму витоку за рахунок автоматичного настроювання дроселей що компенсують; автоматичне відключення джерела і закорочування на землю фази мережі з ушкодженою ізоляцією при перевищенні струму витоку понад припустиме значення.

- коректуванні принципової електричної схеми апарата АЗУР-1 з метою використання його по призначенню в мережах напругою 1200 В.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується: відповідністю прийнятих при розробці математичних моделей допущень мети і задачами досліджень; обґрунтованістю вихідних посилок природних наук, що випливають з фундаментальних законів, і основ теорії електричних ланцюгів; задовільним збігом якісних характеристик результатів теоретичних досліджень з результатами експериментів, виконаних у реальних мережах і на фізичній моделі; практичним використанням результатів досліджень при конструюванні і виробництві апаратів захисту від витоків струму.

Реалізація роботи. Наукові положення, висновки і рекомендації використані:

- УкрНДІВЕ при створенні уніфікованих апаратів захисту від струмів витоку на напругу 1140/660 В – АЗУР- 4;

- УкрНДІВЕ при модернізації апаратів захисту від струмів витоку на напругу 660/380 В - АЗУР-1, АЗУР-2, АЗУР-3;

- Донецьким енергозаводом при створенні трансформаторних підстанцій серії КТПВ на напругу 660 В – потужністю до 630 кВА; на напругу 1140/660 В - потужністю 630 кВА; на напругу1140 В - потужністю 1000 та 1250 кВА.

Особистий внесок здобувача складається в постановці задач досліджень; у теоретичному обґрунтуванні принципу мінімізації дії струмів витоку; в оцінці умов електро- і пожежобезпеки і створенні пристрою захисного відключення в дільничних мережах напругою 1200 В; у теоретичному обґрунтуванні і практичній реалізації способу визначення фази мережі з ушкодженою ізоляцією; у розробці методу і пристрою виміру ємності й автоматичного настроювання режиму компенсації ємнісних струмів витоку; у розробці функціональної схеми системи захисту від струмів витоку для шахтних мереж напругою 1200 В і в обґрунтуванні розширення області застосування апаратів захисту від витоків струму типу АЗУР.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали і результати, отримані в дисертаційній роботі, доповідалися й одержали схвалення на міжнародній науково-технічній конференції „Машинобудування та техносфера XXI століття” (м.Севастопіль, 2000р); на розширеному засіданні секції „Охорона праці, техніка безпеки та пожежна безпека” (м.Макіївка, 2003р); на міжнародній науково-технічній конференції “Тиждень гірника” у Московському державному гірничому університеті, (м. Москва, Росія, 2004 р.); на 3-й міжнародній науково-технічній конференції “Механіка, технологія і техногенна безпека вибухового руйнування гірничих порід” (Крим, 2004 р.); на міжкафедральному науковому семінарі інституту Електроенергетики Національного гірничого університету (м. Дніпропетровськ, 2004 р.).

Публікації: Результати дисертації опубліковані в п'ятнадцяти наукових працях (з них 2 монографії та 3 публікації самостійно).

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку літературних джерел із 92 найменувань (9 сторінок), двох додатків (19 сторінок). Загальний обсяг дисертації – 191 сторінка, 40 рисунків.

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 загальні закономірності і причини формування струмів витоку в рудникових електричних мережах, даний аналіз впливу компенсації ємнісної складової струму витоку в електричних мережах змінного струму на умови електробезпеки й оцінені припустимі значення струмів витоку для дільничних мереж напругою до 1200 В вугільних шахт.

Показано, що в загальному випадку ступінь небезпеки дії електричного струму на людину, що доторкнулася до фази мережі визначається не тільки сталим струмом через людину, що протікає до моменту відключення мережі захисним апаратом і вільної складової струму виникаючого при цьому перехідного процесу, але і струмами перехідних процесів, викликаних наявністю зворотної е.р.с. групи електродвигунів приєднаних до мережі і що продовжують обертатися по інерції після відключення мережі захисним апаратом і наявністю зворотної е.р.с. електродвигуна на лінії, до фази мережі якої доторкнулася людина. Ефективність застосування контролю ізоляції і захисного відключення зростає за рахунок використання пристроїв автоматичної компенсації ємнісної складової струму витоку за умови настроювання дроселя, що компенсує, на забезпечення мінімального струму витоку. Відзначено, що в дільничних мережах сучасних вугільних шахт намітилася стійка тенденція застосування напруги 1200 В зв'язана з розвитком і удосконалюванням вуглевидобувних машин і комплексів. У таких мережах значення струмів витоку, обумовлені фізичними параметрами системи електропостачання, і тривалості їхнього протікання досягають таких значень, при яких неможливо забезпечити безпеку людини тільки контролем активного опору ізоляції і їх захисним відключенням навіть із застосуванням пристроїв автоматичної компенсації ємнісних складових струмів витоку.

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

У другому розділі вирішується перша задача досліджень, що стосується обґрунтування методів і засобів зниження значень струмів витоку й обмеження їхнього негативного впливу в дільничних електричних мережах напругою до 1200 В систем електропостачання вугільних шахт.

При рішенні зазначеної задачі були досліджені процеси ферорезонансні в ланцюгах засобів компенсації й асиметрії ізоляції в шахтних електричних мережах, а також перехідні процеси в мережах при комутації електродвигунів.

Було встановлено, що одним з найбільш ймовірних режимів, що приводять до виникнення ферорезонансних явищ у ланцюгах компенсації ємнісних струмів витоку апаратів захисту, є глухе замикання фази мережі на землю (рис. 1).

Рис. 1. Схема заміщення мережі при

однофазному замиканні на землю.

Стала напруга на дроселі може бути визначена:

, (1)

де – миттєве значення сталої напруги на дроселі, що компенсує;

– модуль повного опору ланцюга компенсації; , – опори відповідно індуктивності дроселя, що компенсує, і ємності струму витоку промислової частоти; ; .

Амплітуда сталої напруги на дроселі визначається практично тільки індуктивним і ємнісним опорами ланцюга. Ця напруга різко зростає при зменшенні різниці між опорами й і у випадку, коли ,

. (2)

З останнього вираження випливає, що амплітуда сталої напруги на дроселі в десятки разів перевищує напругу при нормальній роботі, при цьому струм витоку через місце замикання може зрости в десятки разів у порівнянні з випадком відсутності ферорезонансу. Крім того, при виникненні ферорезонансних явищ напруга на конденсаторах і дроселях, включених у ферорезонансний ланцюг, різко зростає, що може привести до виходу з ладу, а також до ушкодження елементів, що захищаються фільтрами.

Одним з можливих шляхів виключення виникнення режиму ферорезонансу є використання магнітопроводу дроселя, що компенсує, з повітряним зазором і підвищення опору його обмотки. У пристроях автоматичної компенсації, застосування повітряних зазорів у магнітопроводах дроселів, що компенсують, украй небажано, тому що при цьому різко зростають габарити пристроїв і необхідна потужність вихідних підсилювачів пристроїв керування. Слід зазначити, що ферорезонансні явища можуть виникати не тільки при глухих замиканнях фаз мережі на землю, але й у випадку виникнення несиметрії в мережі або апараті, наприклад при обриві фаз мережі і конденсаторів ємнісних пристроїв приєднання. Однак несиметрія ємностей фаз мережі щодо землі в межах декількох відсотків не робить серйозного впливу на ефективність пристроїв компенсації.

У мережах напругою 1140 В струм через людину, що опинилася під напругою, не припиняється після відключення мережі від джерела живлення, і продовжує протікати протягом значного часу за рахунок зворотної е.р.с. двигунів, що продовжують обертатися по інерції після відключення мережі. При цьому час зниження напруги в мережі до безпечного значення може складати 3-4 с, у той час як нормований час відключення мережі напругою 1140 В не повинен перевищувати 0,17 с. Досвід експлуатації показує, що досить ефективним методом зниження короткочасних струмів витоку в мережах напругою до 660 В є компенсація ємнісної складової, однак спроби автоматично перенести ці технічні рішення на апаратуру захисту на напругу 1140 В успіхом не увінчалися.

Одним з методів, що дозволяють ефективно знизити струм однофазного витоку, є метод шунтування, тобто захисного заземлення фази мережі при ушкодженні її ізоляції або при дотику до неї людини.. Достоїнством такого методу є можливість знизити струм через людину, що доторкнулася до фази, до значень, близьких до нуля. Однак досить важко визначити фазу з ушкодженою ізоляцією у випадку значного опору однофазного витоку.

Виконані дослідження показали, що параметри рудникових електричних мереж такі, що засоби виявлення фаз з ушкодженою ізоляцією не можуть бути побудовані на методах контролю абсолютних значень цих напруг (3) з урахуванням припустимих коливань живильної напруги 0,85...1…1,1номінального.

;

; (3)

,

де ; ; ; , _відповідно реактивний і активний опори ізоляції фаз щодо землі.

Компенсувати вплив коливань напруги мережі на опір витоку, що виявляється, можна методом контролю не абсолютних, а відносних значень напруг фаз щодо опорних (еталонних) напруг, пропорційних фазним (лінійним) напругам мережі. Показано також, що точне настроювання пристрою компенсації ємнісної складової струму витоку в резонанс із фактичною ємністю щодо землі рудникової електричної мережі напругою 1140 В, забезпечує необхідні уставки засобів виявлення фаз електричних мереж з ушкодженою ізоляцією й ефективне зниження короткочасних струмів витоку. Розроблено метод і пристрій виміру ємності мережі й автоматичного настроювання режиму компенсації ємнісних струмів витоку для дільничної шахтної мережі напругою 1140 В. Достоїнством розглянутого пристрою є не критичність до зміни параметрів елементів і підтримка високої точності настроювання протягом усього періоду експлуатації без якого-небудь регулювання.

У третьому розділі вирішується друга задача досліджень, пов'язана з теоретичним обґрунтуванням засобу і розробкою пристрою автоматичного контролю опору ізоляції для рудникових електроустановок напругою 1200 В.

Було показано, що з урахуванням рівня напруги і реальних параметрів мережі головною задачею захисного відключення стає відключення підземних мереж при струмах витоку, що перевищують довгостроково припустиме значення:

або . (4)

Оскільки методів, що дозволяють робити безпосередній вимір струму витоку, немає, у даний час одержали поширення методи непрямого його виміру по активних опорах ізоляції і витоків у мережі. Вимір опору ізоляції повинен вироблятися в мережі з поданою на неї робочою напругою. Це ускладнює схему пристрою контролю ізоляції, тому що приєднання його до мережі може бути здійснено лише за допомогою спеціальної додаткової схеми, що забезпечує виконання наступних основних вимог:

1) приєднання пристрою до всіх трьох фаз мережі для того, щоб контролювати стан ізоляції усіх фаз;

2) високий опір змінному струму промислової частоти, щоб приєднання пристрою до мережі не викликало помітного зниження опору фаз мережі щодо землі;

3) низький опір постійному вимірювальному струму, щоб пристрій приєднання не впливав на роботу вимірювальної схеми;

4) виключення впливу струмів нульової послідовності на вимірювальний струм, що протікає через вимірювальний елемент, щоб робота пристрою не залежала від ємності мережі і відносини опорів ізоляції окремих фаз щодо землі.

Підвищення чутливості і, отже, точності роботи апарата може бути досягнуто застосуванням диференціальних схем. Дія їх заснована на порівнянні струму у вимірювальному ланцюзі з еталонним. Створити простий високостабільний ключ на основі напівпровідникових елементів можна за умови виконання цими елементами, так само як і виконавчим реле, функції нуль-індикатора, а не виміру струму. Цю вимогу дозволяють забезпечити схеми порівняння контрольованого параметра з еталонним. Дослідження показали, що практично цілком виключити вплив параметрів напівпровідникових елементів на погрішність виміру ізоляції мережі можуть лише схеми порівняння струмів (рис.2).

Запропонованою схемою також вирішується і задача стабілізації опору, що відключає, при коливаннях напруги живлення. Також достоїнством схеми є взаємозамінність транзисторів і реле, тому що ніякого додаткового регулювання схеми не потрібно при заміні транзисторів, що істотно спрощує технологію виготовлення і ремонту пристрою.

Рис. 2. Схема вимірювального елемента за принципом порівняння струмів з підсилювачем

Для забезпечення ж високої функціональної надійності пристрою потрібне здійснення автоматичного контролю цілісності взаємозв'язків між вузлами й елементами, а також зв'язків пристрою з електричною мережею, що захищається та заземлюється, і їх справності. Це може бути досягнуто методом штучного створення струму витоку і перевірки реакції на нього вимірювального і виконавчого елементів схеми. При синтезі реальних схем як правило не вдається забезпечити автоматичний контроль всіх елементів пристрою одним методом. У цьому випадку варто застосовувати сполучення декількох методів.

Рис. 3. Схема контролю опору ізоляції і самоконтролю справності, що працює на принципі порівняння вимірювального й еталонного струмів

Автоматичний контроль справності елементів (схема рис.3) забезпечується трьома методами: створенням штучного струму витоку, використанням транзисторів у режимі періодичного відкривання-закривання, і включенням вимірювального реле таким чином, що струм у його обмотці знижується як у випадку виникнення витоку в мережі, так і при ушкодженні його обмотки або інших елементів вимірювальної схеми.

У четвертому розділі подані результати розробки структури, функціональної і принципової схем і конструкції системи захисту від струмів витоку для шахтних електричних мереж напругою 1200 В.

При рішенні задачі синтезу системи захисту від струмів витоку для шахтних електричних мереж напругою 1200 В походили з того, що одним з найважливіших параметрів апаратури, що здійснює захист людей від поразки електричним струмом, є час її спрацьовування при виникненні небезпечної ситуації. Однак рішення проблеми швидкодії ускладнюється необхідністю забезпечення усталеної роботи апаратури захисту при перехідних процесах, викликаних комутацією електроприймачів і виникненням витоків струму. Недостатня стійкість роботи апаратури захисного відключення, помилкові її спрацьовування, можуть привести до серйозних утруднень експлуатації.

На рис.4 представлено функціональну схему розробленої системи захисту від струмів витоку для шахтних мереж напругою 1200 В. Система захисту складається з комплексу функціональних блоків, що забезпечують підключення до контрольованої мережі, контроль опору ізоляції, автоматичне настроювання режиму компенсації ємнісної складової струму витоку, визначення і захисне шунтування ушкодженої фази. Новою й особливо відповідальною функціональною характеристикою системи захисту є вибір і захисне шунтування ушкодженої фази.

Рис.4. Функціональна схема системи контролю ізоляції і захисту від струмів витоку

для мереж напругою 1140 В

З погляду однозначного визначення фази мережі з ушкодженою ізоляцією найбільш прийнятний метод, заснований на контролі зниження відносної напруги цієї фази, на яке не роблять впливу ні фазировка мережі, ні знак реактивної провідності між фазами мережі і землею, тобто наявність підключених до мережі засобів компенсації, і т.д.

Однак серйозним недоліком цього методу є низька і явно недостатня для мереж напругою 1140 В чутливість. Вирішити кардинально проблему підвищення чутливості засобів виявлення фаз з ушкодженою ізоляцією до будь-якого необхідного рівня, виключити при цьому помилкові спрацьовування зазначених засобів і різко знизити струми замикання на землю дозволяє новий запропонований автором метод, заснований на використанні відносних значень фазних напруг і режиму компенсації ємнісної складової струму витоку. Ідея цього способу полягає у тому, що в міру наближення індуктивного опору дроселя, що компенсує, до значення опору ємності мережі зростають напруги і , і падає напруга . Установлено, що чим вище точність настроювання компенсатора в резонанс із ємністю мережі, тим опір однофазного витоку, що виявляється, більше.

Дослідження показали, що з ростом активної провідності ізоляції мережі щодо землі вплив ємності мережі на напругу знижується, а самі напруги і за інших рівних умов зростають. Дійсно, якщо , напруга неушкодженої фази не може бути менше фазної напруги мережі. Це означає, що підвищити максимальний опір витоку, що виявляється , можна не тільки шляхом компенсації ємнісного струму витоку мережі, але і зниженням активного опору фаз мережі щодо землі. Такий висновок має важливе практичне значення, тому що він означає, що для підвищення не тільки не слід підвищувати добротність компенсатора й опір пристрою захисного відключення струмам нульової послідовності, а навпаки, необхідно знижувати їх, наскільки це можливо. При цьому варто мати на увазі, що зниження опору фаз мережі щодо землі веде до збільшення струмів витоків і до погіршення умов безпеки експлуатації такої мережі. З цих причин активний опір пристроїв захисту від витоків небажано знижувати менше опору, при якому струм витоку в ньому виявиться більше довгостроково припустимого 25 мА, тобто для мереж напругою 1140 В цей опір небажано приймати меншим 25-30 кОм.

Подальше підвищення чутливості засобів виявлення фаз мережі з ушкодженою ізоляцією може бути досягнуте більш точним настроюванням компенсатора на фактичну ємність мережі. У режимі повної компенсації (рис.5), коли , одержимо

;

(5)

.

Пристрій виявлення фази мережі з ушкодженою ізоляцією складається з трьох однакових вимірювальних вузлів, кожний з яких контролює напругу між відповідною фазою мережі і землею. Вимірювальні блоки працюють за принципом порівняння еталонного струму, пропорційного фазній напрузі мережі і струму, обумовленого значенням напруги щодо землі тієї фази, до якої підключений відповідний вимірювальний блок.

Рис. 5. Графіки залежностей відносних напруг від :

1 - = ; 2 - .

У цілому апарат захисту від струмів витоку в електричних мережах напругою 1140 В типу АЗУР-4 призначений для захисту людей від поразки електричним струмом, виключення пожеж і вибухів рудникової атмосфери і виконаний зі збереженням усіх достоїнств своїх попередників.

В п'ятому розділі наведені результати досліджень працездатності розроблених методів і пристроїв контролю ізоляції та захисту від витоків струму у ланкових мережах напругою 1200 В вугільних шахт.

Відзначено, що результати досліджень були використані при створені уніфікованих апаратів захисту від струмів витоку на напругу 1140/660 В – АЗУР-4, а також при модернізації апаратів захисту від струмів витоку АЗУР-1, АЗУР-2, АЗУР-3 з метою застосування їх при напрузі 1140 В. Розроблені апарати захисту також використовуються Донецьким енергозаводом при створенні трансформаторних підстанцій серії КТПВ на напругу 660 В – потужністю до 630 кВА; на 1140/660 В - потужністю 630 кВА; на 1140 В - потужністю 1000 і 1250 кВА.

У якості пріоритетних науково-практичних задач варто вважати питання створення апаратів захисту від струмів витоку для шахтних дільничних мереж напругою 3000 і 6000 В, а також для мереж із силовою перетворювальною технікою, що використовується для керування електроприводами.

В И С Н О В К И

У дисертаційній роботі в результаті теоретичних і експериментальних досліджень вирішена маюча дійсно велике соціальне і народногосподарське значення  наукова задача, що полягає в розвитку методів мінімізації значень і дії струмів витоку і створенні системи контролю опору ізоляції і захисту від струмів витоку для рудникових електроустановок напругою до 1200 В, що забезпечують підвищення їх електробезпеки й експлуатаційної надійності

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

1. У загальному випадку ступінь небезпеки від дії електричного струму для людини, що доторкнулася до фази мережі визначається: до моменту відключення мережі захисним апаратом - сталим струмом через людину і вільних складових струму виникаючого при цьому перехідного процесу, значення яких визначаються параметрами ізоляції мережі щодо землі і режимом настроювання пристрою компенсації ємнісної складової струму витоку; після відключення мережі захисним апаратом - струмами перехідних процесів, викликаних наявністю зворотної ЕРС групи електродвигунів приєднаних до мережі і що продовжують обертатися по інерції і наявністю зворотної ЕРС електродвигуна на лінії, до фази якої доторкнулася людина.

2. Ефективність застосування контролю ізоляції і захисного відключення значно зростає за рахунок використання пристроїв автоматичної компенсації ємнісної складової струму витоку за умови настроювання дроселя, що компенсує, на забезпечення мінімального струму витоку, однак у мережах напруги 1200 В значення струмів витоку, обумовлені фізичними параметрами системи електропостачання, і тривалість їх протікання досягає таких значень, при яких неможливо забезпечити безпеку людини тільки контролем активного опору ізоляції і їх захисним відключенням навіть з застосуванням пристроїв автоматичної компенсації ємнісної складової.

3. З урахуванням підвищеної напруги і реальних параметрів дільничних мереж вугільних шахт напругою 1200 В система захисту від струмів витоку для зазначених мереж повинна мати наступні функціональні блоки: контролю ізоляції; автоматичної компенсації ємнісної складової струму витоку; вибору фази мережі з ушкодженою ізоляцією; шунтування аварійної фази; захисного відключення.

4. З урахуванням реальних параметрів ізоляції, у мережах напругою 1200 В головною задачею захисного відключення є відключення підземних мереж при струмах витоку, що перевищують припустиме значення, тобто, при виборі параметрів спрацьовування захисту варто виходити з умови відключення мережі при перевищенні струмом витоку припустимого значення на відміну від умови не перевищення струмом витоку припустимого значення, реалізованого в мережах напругою 380 і 660 В. При цьому для мереж напругою 1200 В методом, що дозволяє ефективно обмежити негативну дію струму однофазного витоку, є метод захисного заземлення (шунтування) фази мережі при ушкодженні її ізоляції або дотику до неї людини.

5. Умовою реалізації методу захисту на основі захисного заземлення фази мережі з ушкодженою ізоляцією є правильне попереднє визначення ушкодженої фази дільничної мережі. Теоретично обґрунтований метод і розроблена схема пристрою визначення фази мережі з ушкодженою ізоляцією з наступним закорочуванням її на землю, засновані на контролі відносних значень напруг фаз мережі щодо землі і забезпечуючі максимальну чутливість у режимі точного настроювання дроселя, що компенсує, у резонанс із фактичною ємністю мережі щодо землі.

6. Розроблено метод і пристрій виміру ємності й автоматичного настроювання режиму компенсації ємнісних струмів витоку для дільничної шахтної мережі напругою 1200 В, достоїнством яких є некритичність до зміни параметрів елементів і підтримування високої точності настроювання протягом усього періоду експлуатації без якого-небудь регулювання.

7. Підвищення чутливості і точності роботи пристрою контролю опору ізоляції може бути досягнуто застосуванням схем із двома вимірювальними елементами. Параметри основних елементів таких пристроїв повинні бути оптимізовані за критерієм чутливості таким чином, щоб взаємний вплив основного і резервного захистів був би найменшим. Розроблено схему вимірювального елемента з підсилювачем, що працює за принципом порівняння струмів, що забезпечує зону переключення на порозі чутливості до 1-1,5при цьому зміна коефіцієнтів підсилення транзисторів і інших їхніх параметрів практично не позначатися на уставці спрацьовування пристрою.

8. Автоматичний контроль справності елементів розробленої схеми контролю опору ізоляції забезпечується трьома методами: створенням штучного струму витоку; використанням транзисторів у режимі періодичного відкривання-закривання; включенням виконавчого реле таким чином, що струм у його обмотці знижується як у випадку виникнення витоку, так і при ушкоджені елементів схеми. Отримані математичні моделі пристроїв захисту із самоконтролем справності дозволяють робити розрахунки перехідних процесів у пристроях при різних режимах роботи, а також визначити характеристики пристроїв захисту і необхідних параметрів елементів.

9. Для електричних трифазних мереж напругою 1140 В розроблена принципова схема, конструкція і налагоджене виробництво апаратури захисту від витоків струму, що забезпечує: ефективне зниження значень струму витоку за рахунок автоматичного настроювання дроселів, що компенсують; автоматичне відключення джерела і шунтування на землю фази мережі з ушкодженою ізоляцією при перевищенні струму витоку понад припустиме значення.

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах:

1. Вареник Є.О., Випанасенко С.І., Дзюбан В.С. та інш. Забезпечення безпеки та ефективності шахтних електроустановок / За ред. академ. Г.Г.Півняка – Дніпропетровськ: Національний гірничий університет, 2004. – 334с.

2. Шкрабец Ф.П., Шидловская Н.А., Дзюбан В.С., Вареник Е.А. Анализ параметров и процессов в шахтных электрических сетях / – Днепропетровск: Национальный горный университет, 2003. – 151 с.

3. Вареник Е.А. Принципы построения защиты от токов утечки для сетей напряжением 1200 В // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. – техн. зб. – 2004. – Вип. 72 – С. 3-6.

4. Вареник Е.А. Значения допустимых кратковременных токов утечки в рудничных участковых сетях // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. – техн. зб. – 2003. – Вип. 71 – С. 3-8.

5. Вареник Е.А. Проблемы безопасного применения электроэнергии в угольных шахтах // Взрывозащищенное электрооборудование. Сборник научных трудов УкрНИИВЭ.- Донецк, Юго-Восток. 2004.-С.4-12.

6. Дзюбан В.С., Вареник Е.А. Методы повышения эффективности средств снижения токов утечки в рудничных электрических сетях напряжением до 1200 В // Взрывозащищенное электрооборудование. Сборник научных трудов УкрНИИВЭ, Донецк, 1999. –С. 94-98.

7. Дзюбан В.С., Вареник Е.А. Математические модели устройств защиты от токов утечки в шахтных электрических сетях // Взрывозащищенное электрооборудование. Сборник научных трудов УкрНИИВЭ.- Донецк, Юго-Восток. 2004. –С. 70-77.

8. Дзюбан В.С., Вареник Е.А. Переходные процессы в шахтных электрических сетях при коммутации электродвигателей // Взрывозащищенное электрооборудование. Сборник научных трудов УкрНИИВЭ, Донецк, 2001. –С. 72-77.

9. Дзюбан В.С., Вареник Е.А. Резонансные перенапряжения в шахтных электрических сетях // Взрывозащищенное электрооборудование. Сборник научных трудов УкрНИИВЭ.- Донецк, Юго-Восток, 2002. –С. 129-133.

10. Пименов В.Н., Шевцов Е.В., Вареник Е.А., Кутас Е.А. Комплектоне тиристорное устройство управления электроприводом ленточного конвейера. // Взрывозащищенные элетрические аппараты. Сборник научных трудов ВНИИВЭ. Донецк 1991. –С. 60-64.

11. Вареник Е.А., Волков Н.А., Чернов И.Я., Шилов В.В. Взрывобезопасные трансформаторные подстанции мощностью 1000 кВА. Обзор информационных источников, анализ конструкций и технико-экономических показателей. // Взрывозащищенное электрооборудование. Сборник научных трудов УкрНИИВЭ, Донецк 1999. –С.98-104.

12. Дзюбан В.С., Диденко В.П., Вареник Е.А. Устойчивость аппаратов защиты от утечек АЗУР-1 при повышении напряжения сети до 1140 В. // Взрывозащищенное электрооборудование. Сборник научных трудов УкрНИИВЭ, Донецк 2003. –С. 19-25.

13. Волошиновский И.И., Вареник Е.А. Электроснабжение и электропривод высокопроизводительной, экологически чистой, автоматизированной угольной шахты глубокого заложения. Информ. сб. ЦНИЭИуголь "Научно-технические достижения и передовой опыт в угольной промышленности" – М., 1991 № 5.

14. Волошиновский И.И., Вареник Е.А. Исследование и разработка тиристорных электроприводов переменного тока с векторным управлением на основе непосредственных преобразователей частоты применительно к основным типам горных машин и механизмов. Информ. сб. ЦНИЭИуголь "Научно-технические достижения и передовой опыт в угольной промышленности" – М., 1991 № 6.

15. Шевцов Е.В., Пименов В.Н., Вареник Е.А. Патент Российской Федерации № 2117373 на изобретение "Устройство для защитного отключения тиристорного преобразователя при обрыве силовой цепи", Бюлл.№ 22.-1998.

Анотація

Вареник Є.О. Обмеження та захист від витоків струму в рудникових електроустановках напругою 1200 В. – 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 методів мінімізації значень і дії струмів витоку і створення системи контролю опору ізоляції і захисту від струмів витоку для рудникових електроустановок напругою до 1200 В, що забезпечують підвищення їх електробезпеки й експлуатаційної надійності.

Показано, що у дільничних мережах напругою 1200 В значення струмів витоку, обумовлені фізичними параметрами системи електропостачання, і тривалості їхнього протікання досягають таких значень, при яких безпека людини може бути забезпечена поряд з контролем активного опору ізоляції і їх захисним відключенням і застосуванням пристроїв автоматичної компенсації ємнісним складової, застосуванням шунтування ушкодженої фази.

Дане теоретичне обґрунтування принципу мінімізації дії струмів витоку і оцінка умов електро- і пожежнобезпеки; викладені результаті створення пристрою захисного відключення для дільничних мереж напругою 1200 В, теоретичне обґрунтування і практична реалізація способу визначення фази мережі з ушкодженою ізоляцією; результати розробки методу і пристрою виміру ємності й автоматичного настроювання режиму компенсації ємнісних струмів витоку на основі замкнутої системи керування; функціональна та принципіальна схеми системи захисту від струмів витоку для шахтних мереж напругою 1200 В і обґрунтування розширення області застосування апаратів захисту від витоків струму типу АЗУР.

Ключові слова: шахтні електричні мережі, витоки струму, контроль ізоляції, захисне відключення, компенсуючи дроселі, оперативний струм.

Аннотация

Вареник Е.А. Ограничения и защита от токов утечки в рудничных электроустановках напряжением 1200 В. – 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 методов минимизации значений и действия токов утечки и создания системы контроля сопротивления изоляции и защиты от токов утечки для рудничных электроустановок напряжением до 1200 В, что обеспечивают повышение их электробезопасности и эксплуатационной надежности.

С учетом повышенного напряжения и реальных