CC BY
58
--------------------------------- © Г.И. Бабокин, В.Г. Куницкий,
П.И. Шеленёв, 2011
Г.И. Бабокин, В.Г. Куницкий, П.И. Шеленёв
ТОКИ УТЕЧКИ В ШАХТНОЙ СЕТИ С ШИРОТНОИМПУЛЬСНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ
Приведены функциональная схема индикатора асимметрии и схема замещения защищаемой сети. Показано, что применение индикатора асимметрии совместно с УЗО для шахтной сети переменного тока промышленной частоты обеспечивают работоспособность таких УЗО в шахтных комбинированных сетях.
Ключевые слова: устройство защитного отключения, комбинированная сеть, преобразователь частоты, оперативный ток.
~П настоящее время экономически целесообразным направ--Я-М лением в разработке устройств защитного отключения (УЗО) для шахтных комбинированных электрических сетей, питаемых преобразователем частоты (ПЧ), является расширение функциональных возможностей выпускаемых промышленностью УЗО, работающих на постоянном или импульсном, содержащем постоянную составляющую, оперативном токе [1].
В результате экспериментальных исследований установлено, что основной причиной отказов в работе таких УЗО можно считать асимметрию сопротивлений полюсов относительно земли участка постоянного тока (УПТ) комбинированной сети. При этом устройство защиты неработоспособно как при возникновении однополюсной утечки на УПТ, так и однофазной утечки на участке переменного тока изменяющейся частоты (УИЧ) комбинированной сети из-за влияния выходного напряжения выпрямителя ПЧ на величину оперативного тока, протекающего в рабочем контуре УЗО, причем в зависимости от соотношения полюсных сопротивлений > R _, или > R+) происходят либо ложные срабатывания защиты, либо УЗО не срабатывает даже в том случае, когда ток однополюсной утечки превышает допустимое значение. Кроме того, при работе инвертора ШИМ ПЧ параллельно сопротивлениям полюсов УПТ R+ и R _ в каждый момент времени в зависимости от закона управления ключами инвертора подключается одно, два или три сопротивления изоляции фаз на УИЧ. В результате с определенной
частотой, равной или кратной несущей частоте инвертора, скачкообразно изменяются сопротивления полюсов УПТ относительно земли, что в определенных условиях может привести к отказам в работе УЗО [2].
С учетом этого авторами была предложена приведенная на рис. 1 функциональная схема специального устройства - индикатора асимметрии (ИА), работающего в составе УЗО на постоянном оперативном токе и устраняющего отрицательное влияние асимметрии полюсных сопротивлений R+ и R _ УПТ на работу устройств защиты. Схема содержит: измерительный одинарный мост постоянного тока ИМПТ; блок ключей БК, выполняющий роль «противоинвертора»; блок регулируемых активных сопротивлений БАС; фильтр Ф, выделяющий постоянную составляющую иИ в измерительной диагонали ИМПТ; усилитель У, выполняющий одновременно и роль детектора при возможном изменении полярности иИ; компаратор К; исполнительный орган ИО. Работа схемы подробно описана в [2].
Анализ литературных источников показывает, что большинство выпускаемых в последнее время ПЧ для регулирования скорости вращения трехфазных асинхронных двигателей обеспечивают управление инвертором напряжения в режиме синусоидальной центрированной (симметричной) широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Для того, чтобы обеспечить номинальные параметры питаемого двигателя, форма выходного напряжения таких ШИМ ПЧ должна отличаться от синусоидальной, переходя к трапециидаль-ной, а в пределе _ к прямоугольной. В связи с этим и на основании схемы рис. 1, а также с учетом общепринятых допущений, составлена приведенная на рис. 2 схема замещения защищаемой комбинированной сети с УЗО и ИА для расчета действующего значения тока однофазной утечки при ее возникновении на УИЧ, что соответствует такому варианту электроснабжения, когда протяженность УИЧ значительно больше протяженности УПТ и, следовательно, вероятность поражения человека на этом участке сети существенно выше.
На схеме рис. 2 выходное напряжение инвертора рассматриваемого типа ПЧ и ВыхПЧ трапециидальной (или прямоугольной) формы представлено симметричной трехфазной системой ЭДС, каждая фаза которой содержит ряд последовательно соединенных идеальных источников синусоидальных
Рис. 2. Схема замещения защищаемой сети
ЭДС изменяющейся частоты и амплитуды е ^), е 3^), е 5(:)... е п^), частоты которых соответственно равны fПЧ , 3fПЧ , 5f ш,---,
nf пч; Е 1, Е з, Е
5
Е п, - их действующие значения в каждой из
фаз сети А, В, С; Я А, Я в, Я с, С А, С в, С с - соответственно активные сопротивления изоляции и емкости фаз относительно земли на УИЧ; Я А', Я в', Я с' - регулируемые активные
сопротивления БАС ИА; I УТ - действующее значение тока однофазной утечки через активное сопротивление Я УТ, равное 1 кОм; и NN - напряжение смещения нейтрали при возникновении утечки в фаОцАнку условий электробезопасности в сетях переменного тока обычно производят по установившимся величинам действующих значений токов утечки [3]. В связи с этим и в соответствии со схемой рис. 2, применяя принцип наложения, согласно которому расчет тока утечки производят в отдельности для каждой из гармоник спектра и ВыхПЧ, получим аналитическое выражение зависимости I Ут от параметров силового кабеля на УИЧ, частоты и величины и ВыхПЧ в установившемся режиме утечки в виде:
^Ут
п V с Е . & . & 0 + ( кщс о)2
k—1 Ek & утл (С?0 + &Ут ) 2 +^^0 )2 ^
где п - любое натуральное нечетное число; k - порядковый номер гармоники спектра и ВыхПЧ ; Е к- действующее значение ЭДС к-ой
- активная производимость однофазной
гармоники; gyт = —
К
'ут
утечки; тпх — 2 л/ПЧ - изменяющаяся угловая частота 1-ой гармо-
111111
ники; gп —-1----1-1-1-1-
£> £> £> 7? ' 7? ' 7? '
КА КВ КС КА КВ КС
эквивалентная ак-
Іуш, шА
140 -
Кри Ьая 3
|ут, Зол. /
1
/ч ( Кри&ая ;
/ КриЬая
ЬнГ Ц
тивная проводимость сети на УИЧ;
С = СА + Св + Сс — эквивалентная емкость жил силового кабеля на УИЧ относительно земли.
В качестве примера на рис. приведены полученные по выражению (1) графики зависимости тока однофазной утечки от частоты и ВыхПЧ для трех значений емкости фаз сети относительно земли
С = С = С = С :
0 А ^В С •
мкФ
С = 0,022—------ (кривая
фазу
1), С = 0,11 МкФ (кривая
фазу
мкФ
2), С = 0,22—------- (кри-
фазу
вая 3) при активном со-Рис. 3. Зависимость тока утечки 1ут от противлении изоляции
частоты ивых ПЧ
жил кабеля относительно земли равном кОм
90------- и номинальном напряжении ПЧ 660 В.
фазу
Анализ представленных на рис. 3 графиков показывает, что ток однофазной утечки не превышает своего максимального допустимого значения I уг.доп= 100 мА лишь при определенной протяженности УИЧ, при которой емкость жил кабеля относительно земли составляет менее 0,1 мкФ/фазу.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бабокин Г.И, Куницкий В.Г, Шеленев П.И. Защитное отключение на постоянном оперативном токе для комбинированных шахтных сетей // Сборник «Информационно-аналитический бюллетень МГГУ. Неделя горняка - 2009. Специальный выпуск кафедры «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий» (ЭЭГП), Москва, 2009 г.
2. Бабокин Г.И, Куницкий В.Г, Шеленев П.И. Модель участковой электрической сети с преобразователем частоты и устройством защитного отключения // Сборник трудов XXII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» - ММТТ - 22. Том 8 с. 89-91, г.Псков, 2009 г.
3. Технические требования к рудничному взрывозащищенному электрооборудованию с силовыми полупроводниковыми приборами напряжением до 1140 В. - г.Кемерово, ВостНИИ, 1988 г. - 42 с. ндыа
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ----------------
Бабокин Г.И. - доктор технических наук, профессор; Куницкий В.Г. - кандидат технических наук, доцент; Шеленёв П.И. - инженер, ассистент,
НИ РХТУ им. Д.И.Менделеева.
