Теоретические основы и принципы применения защитного обесточивания рудничных электротехнических комплексов
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Горная промышленность. Металлургия
Издательство:
Инфра-Инженерия
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 240
Дополнительно
Вид издания:
Монография
Уровень образования:
ВО - Магистратура
ISBN: 978-5-9729-0749-6
Артикул: 766487.01.99
Обоснован метод математического моделирования переходных процессов в шахтном участковом электротехническом комплексе. Получены закономерности изменения электрических параметров в структурах электротехнического комплекса в условиях воздействия переходных процессов и действия совокупности энергетических потоков распределённых источников. Определена возможность обратных ЭДС асинхронных двигателей поддерживать опасное состояние электросети после её защитного отключения. Представлены усовершенствованные принципы построения защит шахтного участкового электротехнического комплекса от аварийных и опасных состояний. За основу принята концепция его защитного обесточивания отделением от сети всех источников энергетических потоков при применении в присоединениях статоров асинхронных двигателей измерительных и исполнительных средств, реагирующих на повышение проводимостей в цепях «фаза - земля» кабелей электропитания. Для научных работников, конструкторов, разработчиков и производственников, работающих в области создания, модернизации и эксплуатации рудничного электрооборудования. Может быть использовано в качестве учебного пособия аспирантами при исследовании процессов в промышленных электротехнических комплексах; студентами при изучении соответствующих разделов дисциплины «Электрооборудование и электроснабжение горных предприятий».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Магистратура
- 13.04.02: Электроэнергетика и электротехника
- ВО - Специалитет
- 21.05.04: Горное дело
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Ê. Í. Ìàðåíè÷ ÒÅÎÐÅÒÈ×ÅÑÊÈÅ ÎÑÍÎÂÛ È ÏÐÈÍÖÈÏÛ ÏÐÈÌÅÍÅÍÈß ÇÀÙÈÒÍÎÃÎ ÎÁÅÑÒÎ×ÈÂÀÍÈß ÐÓÄÍÈ×ÍÛÕ ÝËÅÊÒÐÎÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÕ ÊÎÌÏËÅÊÑΠÌîíîãðàôèÿ Ïîñâÿùàåòñÿ 100-ëåòèþ ñî äíÿ îñíîâàíèÿ Äîíåöêîãî íàöèîíàëüíîãî òåõíè÷åñêîãî óíèâåðñèòåòà Ìîñêâà Âîëîãäà «Èíôðà-Èíæåíåðèÿ» 2021 1
Рекомендовано к печати учёным советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет», протокол № 6 от 25.12.2020 г. УДК 622.012.2:621.316 ББК 33.2 М25 Рецензенты: д-р техн. наук, проф., главный научный сотрудник ГУ «Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности» (МакНИИ) Колосюк В. П.; д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой восстанавливаемых источников энергии ГВУЗ «Национальный горный университет» (г. Днепропетровск) Шкрабец Ф. П.; д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой автоматизированных электромеханических систем в промышленности и транспорте ГВУЗ «Криворожский национальный университет» (г. Кривой Рог) Синчук О. Н. Маренич, К. Н. М25 Теоретические основы и принципы применения защитного обесточивания рудничных электротехнических комплексов : монография / К. Н. Маренич. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. – 240 с. : ил., табл. ISBN 978-5-9729-0749-6 Обоснован метод математического моделирования переходных процессов в шахтном участковом электротехническом комплексе. Получены закономерности изменения электрических параметров в структурах электротехнического комплекса в условиях воздействия переходных процессов и действия совокупности энергетических потоков распределённых источников. Определена возможность обратных ЭДС асинхронных двигателей поддерживать опасное состояние электросети после её защитного отключения. Представлены усовершенствованные принципы построения защит шахтного участкового электротехнического комплекса от аварийных и опасных состояний. За основу принята концепция его защитного обесточивания отделением от сети всех источников энергетических потоков при применении в присоединениях статоров асинхронных двигателей измерительных и исполнительных средств, реагирующих на повышение проводимостей в цепях «фаза – земля» кабелей электропитания. Для научных работников, конструкторов, разработчиков и производственников, работающих в области создания, модернизации и эксплуатации рудничного электрооборудования. Может быть использовано в качестве учебного пособия аспирантами при исследовании процессов в промышленных электротехнических комплексах; студентами при изучении соответствующих разделов дисциплины «Электрооборудование и электроснабжение горных предприятий». УДК 622.012.2:621.316 ББК 33.2 ISBN 978-5-9729-0749-6 © Маренич К. Н., 2021 © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021 2
ÑÎÄÅÐÆÀÍÈÅ ÂÂÅÄÅÍÈÅ ............................................................................................................. 6 ÐÀÇÄÅË 1. Общий анализ аварийных и опасных состояний электрооборудования технологических комплексов шахты и свойств средств защиты .............................................................. 8 1.1. Электротехнический комплекс шахтного технологического участка как объект исследования .................................................................................. 8 1.2. Асинхронные двигатели потребителей как источник обратных энергетических потоков .................................................................................. 17 1.3. Междуфазные короткие замыкания как факторы опасности эксплуатации шахтных участковых электротехнических комплексов .............................. 23 1.4. Силовая электросеть шахтного участкового электротехнического комплекса как источник опасности электропоражения человека .............. 31 1.5. Устройство и диалектика усовершенствования средств защиты от утечек тока на землю .................................................................................. 36 1.5.1. Принципы определения наличия цепи утечки тока на землю ......... 36 1.5.2. Устройство и свойства технических средств автоматической компенсации ёмкости изоляции сети .................................................. 42 1.5.3. Автоматическое закорачивание повреждённой фазы как способ ускорения обесточивания цепи утечки тока на землю ...................... 44 1.5.4. Применение микропроцессорной схемотехники в целях повышения функциональных свойств устройств защиты от утечек тока на землю ........................................................................ 46 1.5.5. Проблематика обеспечения электробезопасности эксплуатации комбинированных сетей шахтных участковых электротехнических комплексов ......................................................... 48 1.5.6. Схемные отличия устройства защиты от утечек тока на землю в участковой сети номинального напряжения 3300 В ....................... 62 1.6. Свойства устройств токовой защиты электротехнических комплексов шахтных участков и средств токоограничения при аварийных состояниях ............................................................................. 64 1.6.1. Свойства средств максимальной токовой защиты электросетей шахтных участков .................................................................................. 64 1.6.2. Защитная функция гибких кабелей с параметрами взрывобезопасности .............................................................................. 67 1.6.3. Устройство и проблематика применения системы опережающей защиты рудничных электроустановок ................................................ 70 ÐÀÇÄÅË 2. Совершенствование методов математического моделирования в контексте исследования переходных процессов при коммутации силовых присоединений участкового электротехнического комплекса шахты ..................................... 76 3
2.1. Определение особенностей воздействия коммутационного переходного процесса на величины электрических параметров электротехнического комплекса – актуальная задача совершенствования методики исследования его динамических состояний ................................................. 76 2.2. Участковый электротехнический комплекс шахты в условиях воздействия контакторной коммутации в контексте определения состояний его структурных составляющих методами математического моделирования ................................................................................................. 80 2.3. Обобщение результатов исследования свойств контакторной коммутации силового присоединения ................................................................................ 91 2.4. Динамические процессы в шахтном участковом электротехническом комплексе при применении полупроводниковых устройств регулируемой коммутации силовых присоединений .................................. 95 2.4.1. Анализ функционирования средств защитного отключения цепи утечки тока на землю в условиях применения устройств регулируемой коммутации асинхронных двигателей потребителей .......................................................................................... 95 2.4.2. Анализ функционирования системы «тиристорный регулятор напряжения – асинхронный двигатель» в контексте определения условий нарушения стабильности её параметров ............................ 101 2.4.3. Обоснование рационального способа технической реализации принципа регулируемой коммутации силового присоединения электротехнического комплекса участка .......................................... 108 2.5. Определение параметров фильтра реагирующего органа защитного устройства в условиях воздействия коммутационных процессов усовершенствованным методом моделирования ....................................... 110 ÐÀÇÄÅË 3. Обратные энергетические потоки асинхронных двигателей как фактор повышения опасности электропоражения в условиях эксплуатации шахтных участковых электротехнических комплексов ............................................... 114 3.1. Общая характеристика опасности электропоражения от обратной ЭДС асинхронного двигателя ................................................ 114 3.2. Принципы моделирования электротехнического комплекса в контексте определения воздействия обратного энергетического потока асинхронных двигателей на цепь утечки тока на землю .......................... 119 3.3. Анализ свойств обратных энергетических потоков относительно формирования электропоражающего фактора после отключения напряжения питания участковой электросети ........................................... 133 3.4. Обобщение функции воздействия обратных энергетических потоков асинхронных двигателей на состояние электробезопасности с учётом параметров и условий эксплуатации электротехнического комплекса ....................................................................................................... 142 4
ÐÀÇÄÅË 4. Автоматическое двустороннее обесточивание шахтного участкового электротехнического комплекса как направление повышения эффективности его защиты от аварийных и опасных состояний .................................................................. 150 4.1. Обратная ЭДС асинхронного двигателя – фактор воздействия на место междуфазной повышенной проводимости после защитного отключения сети .............................................................. 150 4.2. Анализ процессов в электромеханической системе «силовое присоединение – асинхронный двигатель» в контексте поиска информационного сигнала о начале опасного состояния ......................... 155 4.3. Принципы выявления состояния кабеля питания асинхронного двигателя автономными техническими средствами схемы присоединения обмотки статора.................................................................. 160 4.4. Воздействие коммутационного переходного процесса на параметры срабатывания устройства защитного обесточивания участковой электросети ................................................................................ 174 4.5. Сопоставление технических свойств средств подавления воздействия обратных ЭДС асинхронных двигателей ............................. 177 ÐÀÇÄÅË 5. Техническая реализация средств усовершенствования защиты электрооборудования шахт от аварийных и опасных состояний .................................................................. 180 5.1. Обоснование принципов ускорения выявления короткого замыкания средствами максимальной токовой защиты ............................................... 180 5.2. Двустороннее обесточивание сети при возникновении междуфазного дугообразования в кабеле питания асинхронного двигателя ............................................................................... 189 5.3. Принудительное отключение контактора пускателя как дополнительное средство повышения безопасности эксплуатации электрооборудования ........................................................... 192 5.4. Электробезопасность эксплуатации двухскоростного асинхронного двигателя ............................................................................... 194 5.5. Техническая реализация принципа токоограничения при отключении сети в режиме короткого замыкания ............................. 210 5.6. Индукционно-динамическое торможение асинхронного двигателя как способ интенсивного подавления амплитудно-частотных параметров обратной ЭДС .......................................................................... 214 5.7. Обобщение принципов применения автоматического защитного двустороннего обесточивания шахтной участковой электросети ........... 217 ÂÛÂÎÄÛ ..................................................................... 220 ÑÏÈÑÎÊ ËÈÒÅÐÀÒÓÐÛ ................................................... 224 5
ÂÂÅÄÅÍÈÅ Значительная составляющая энергоёмких производств в промышленном секторе экономики государства обусловливает необходимость наличия соответствующих энергетических ресурсов, важнейшим из которых является каменный уголь. Поэтому угольная промышленность является стратегической отраслью, что определяет энергетическую независимость и самодостаточность страны. Современной тенденцией является повышение мощности электромеханического оборудования технологических установок горных предприятий, что обусловливает применение более мощных приводных асинхронных двигателей (АД), комплектных трансформаторных подстанций (КТП), кабелей больших сечений и длин, перевод участковых электросетей на повышенные уровни номинального напряжения (1140 В; 3300 В). Всё это предполагает увеличение мощностей обратных энергетических потоков в рудничных участковых электротехнических комплексах (ЭТК), следствием чего является увеличение параметров опасности (величина тока и его продолжительность) в цепях междуфазного короткого замыкания, дугообразования, а также в цепи утечки тока на землю. Широкое применение гибких кабелей (с ограниченными параметрами механической прочности) для электропитания нестационарного оборудования в условиях шахты обусловливает высокую вероятность возникновения указанных аварийных и опасных состояний. Структура шахтных участковых электротехнических комплексов подчинена общему принципу, в соответствии с которым напряжение высокого уровня преобразуется до уровня номинального напряжения участковой сети непосредственно в месте расположения распределительного пункта и подаётся к асинхронным двигателям потребителей посредством кабельных линий, подключенных по радиальной схеме и коммутируемых контакторами пускателей либо полупроводниковыми регуляторами. При этом, в случае возникновения аварийного или опасного состояния функция устройств токовой защиты и защиты от утечек тока на землю состоит в отделении энергетического потока трансформаторной подстанции от сети электротехнического комплекса, что представляет собой защитное отключение напряжения питания. Практика эксплуатации свидетельствует, что защитное действие указанных устройств не является достаточным, поскольку состояние сети участкового электротехнического комплекса шахты после отключения напряжения питания некоторое время определяется параметрами обратных энергетических потоков 6
асинхронных двигателей потребителей. Это обусловливает целесообразность применения автоматического защитного двустороннего обесточивания электросети, что требует дополнительных исследований и предусматривает совершенствование структуры схемы электротехнического комплекса шахтного участка. В частности, научную и практическую ценность имеют исследования параметров защитных устройств в условиях воздействия переходных процессов при коммутации присоединений с повышенными уровнями ёмкости изоляции в контексте определения вероятности и противодействия ложному срабатыванию защиты. В то же время, в условиях применения высокомощных технологических установок характерным признаком аварийных состояний шахтных участковых электротехнических комплексов становится ускорение достижения током сети такой величины, которая представляет опасность электропоражения или воспламенения оборудования. Этим обусловлена научная и практическая актуальность развития теории и принципов построения средств ускорения защитного обесточивания современных рудничных электротехнических комплексов. Результаты соответствующих исследований представлены в данной монографии. Основой монографии является диссертация «Развитие теории и принципов построения средств защитного обесточивания современных рудничных электротехнических комплексов» на соискание учёной степени доктора технических наук (защищена 22.04.2014) [1]. Как автор, я выражаю искреннюю благодарность научному консультанту, доктору технических наук, профессору Сивокобыленко Виталию Фёдоровичу, а также кандидату технических наук, доценту Дубинину Сергею Васильевичу и своим ученикам, кандидатам технических наук: доценту Васильцу Святославу Владимировичу, Ковалёвой Инне Владимировне, Руссияну Станиславу Анатольевичу, Дубинке Екатерине Сергеевне за плодотворное сотрудничество при решении актуальных задач в контексте представленной проблематики. Профессор, доктор технических наук К. Н. Маренич 7
ÐÀÇÄÅË 1 ÎÁÙÈÉ ÀÍÀËÈÇ ÀÂÀÐÈÉÍÛÕ È ÎÏÀÑÍÛÕ ÑÎÑÒÎßÍÈÉ ÝËÅÊÒÐÎÎÁÎÐÓÄÎÂÀÍÈß ÒÅÕÍÎËÎÃÈ×ÅÑÊÈÕ ÊÎÌÏËÅÊÑΠØÀÕÒÛ È ÑÂÎÉÑÒ ÑÐÅÄÑÒ ÇÀÙÈÒÛ 1.1. Ýëåêòðîòåõíè÷åñêèé êîìïëåêñ øàõòíîãî òåõíîëîãè÷åñêîãî ó÷àñòêà êàê îáúåêò èññëåäîâàíèÿ Многочисленные технологии, используемые при добыче угля, его транспортировании, подготовке и техническом сопровождении производственных процессов в шахте предполагают применение мощного энергоёмкого электротехнического оборудования. Этим обусловлена необходимость эксплуатации участковых электротехнических комплексов (ЭТК) в качестве технических средств, которые должны обеспечивать: электроснабжение потребителей участка трёхфазным напряжением, величина и частота которого соответствуют техническим условиям работы электродвигателей технологических установок; безопасные по фактору электротравматизма условия эксплуатации электротехнического и электромеханического оборудования; автоматическое защитное отключение силовых присоединений участка при возникновении аварийных состояний; недопущение включения коммутационного аппарата при повреждении изоляции его силового присоединения. Этим функциональным свойствам соответствует типовая структура электротехнического комплекса технологического участка шахты (рис. 1.1), которая согласуется с положениями нормативных документов [2-5] и включает структурные составляющие в совокупности их функциональных связей, предназначенные для выполнения коммутационных, распределительных и защитных функций [6-9]. Эта структура содержит комплектную трансформаторную подстанцию (КТП, рис. 1.2), распределительный пункт участка (РП) и асинхронные двигатели (АД) потребителей. РП может быть представлен, совокупностью магнитных пускателей (П, рис. 1.3), с групповым автоматическим выключателем (АВ, рис. 1.4)) либо станцией управления (СУ, рис. 1.5), от которых по радиальной схеме к АД отходит сеть гибких кабелей [10-13]. Электроснабжение РП от трансформаторной подстанции осуществляется магистральным кабелем (МК). 8
Рисунок 1.1 – Схема распределения функций между структурными составляющими ЭТК шахтного участка
Тенденция относительно применения напряжения повышенного номинального уровня (1140 В) для питания высокомощного электромеханического оборудования обусловливает целесообразность распределения всей совокупности электропотребителей участка на две группы: потребителей малой и средней мощности (линейное напряжение питания 660 В); потребителей большой мощности (линейное напряжение питания 1140 В) и применения двух комплектных трансформаторных подстанций на соответствующие уровни вторичных напряжений [14]. Структура шахтного участкового электротехнического комплекса даёт возможность сделать вывод о наличии потенциальных опасностей взрыва метано-воздушной смеси и пожара в условиях шахты вследствие возникновения аварийных состояний силового электрооборудования. Как следует из анализа аварийности на шахтах Украины (1976–2008 г.), на электрический ток как источник воспламенения метано-воздушной смеси приходится 47,58 всех взрывов [15]. При этом, 47,46 от всех случаев взрывов от воздействия электротока связаны с повреждением гибких кабелей, что приводит к коротким замыканиям или утечкам тока на землю (табл. 1.1). Рисунок 1.2 – Функциональная схема комплексной трансформаторной подстанции: РУВН, РУНН – распредустройства высокого и низкого напряжения; QS – разъединитель; TV1 – силовой трансформатор; TV2 – трансформатор собственных нужд; ТА – датчики тока; ДТ – датчик температуры 10