CC BY
34
4. Риман Я.С. Защита шахтных участковых сетей от токов короткого замыкания 1-е изд. М.: Недра, 1972. 102 с.
V.Y. Karnitsky, A.S. Bolgov
PROBLEMS USING UNDERGROUND ELECTRICAL AND NETWORKS AND CA USES OF SHORT CIRCUIT
Problems concerning the causes of faults, their solutions, and ways to address them.
Keywords: underground electrical short circuit.
The use of electricity in the tunnels associated with a number.
Получено 19.06.12
УДК 636.52/58:636.082
Е.Б. Колесников, канд. тех. наук, доц., 8(48762) 6-13-83, [email protected]
(Россия, Новомосковск, НИ «РХТУ им. Д.И. Менделеева»),
С.Б. Малков, зав. лаб., 8(48762) 6-13-83,
(Россия, Новомосковск, НИ «РХТУ им. Д.И. Менделеева»)
ИСПЫТАНИЯ АППАРАТУРЫ АВТОМАТИЗАЦИИ ПОГРУЖНОЙ НАСОСНОЙ УСТАНОВКИ
Приведены структурная схема и описание аппаратуры автоматизации погружной насосной установки. Представлены результаты испытаний опытного образца аппаратуры. Показано, что разработанная аппаратура охватывает все возможные аварийные ситуации, тем самым обеспечивает повышение надежности и производительности погружной насосной установки.
Ключевые слова: артезианская скважина, погружной насос, симисторный ключ, плавный пуск, обрыв фазы, сухой ход.
В настоящее время для значительной части городов, поселков и других населенных пунктов основными первичными источниками водоснабжения являются артезианские скважины с установленными в них погружными насосами, от состояния и надежности работы которых, зависит стабильность водоснабжения жилых комплексов и промышленных предприятий. Как правило, артезианские скважины расположены на удаленных от городского массива полевых пространствах, лишенных твердых подъездных дорог и оборудованных не очень надежными воздушными линиями электропередачи. Поэтому погружные насосные установки требуют применения достаточно надежных устройств управления и защиты [1].
120
Серийно выпускаемые отечественные устройства управления и защиты погружных насосов, такие, как «Каскад», «Маяк», «Высота» и др., не обеспечивают плавного пуска и не охватывают все возможные аварийные ситуации, в результате чего не в полной мере удовлетворяют требованиям, предъявляемым к системам управления и защиты погружных насосов. А так как артезианские скважины обычно расположены в отдаленной местности и находятся без постоянного присутствия обслуживающего персонала, то дорогостоящие насосы очень часто выходят из строя [2].
Ряд организаций в настоящее время ведут работы по разработке оборудования автоматизации артезианских скважин. Однако разработанные опытные образцы устройств либо не обеспечивают плавного пуска и не охватывают все возможные аварийные ситуации, либо, имея в составе преобразователь частоты и полный набор защитных функций, достаточно сложны и имеют высокую стоимость.
Учитывая существенный интерес к данной проблеме, можно утверждать, что работы по совершенствованию средств управления и защиты погружных насосов от аварийных режимов являются актуальными.
Новомосковским институтом «РХТУ им. Д.И. Менделеева» разработана аппаратура автоматизации погружной насосной установки, в полной мере удовлетворяющая предъявляемым требованиям.
Разработанная аппаратура автоматизации погружной насосной установки содержит современные бесконтактные узлы и микропроцессорную систему управления.
Аппаратура выполняет следующие основные функции:
- местное и дистанционное управление насосной установкой;
- ручное и автоматическое управление насосной установкой в режиме водоподъема в зависимости от уровня воды в резервуаре или от давления столба воды водонапорной башни;
- плавный пуск с ограничением пускового тока;
- перед включением насосной установки контроль состояния изоляции силового кабеля;
- отключение насосной установки при исчезновении и самозапуск при восстановлении напряжения сети;
- защита от повышенного и пониженного напряжения питающей сети, от неправильного чередования, обрыва и перекоса фаз и самозапуск при восстановлении напряжения сети;
- защита электродвигателя от перегрузок и коротких замыканий;
- защита электродвигателя от несостоявшегося пуска;
- защита насосной установки от сухого хода;
- контроль питающего напряжения;
- контроль потребляемого электродвигателем насоса тока в одной
из фаз.
На рис. 1 приведена структурная схема разработанной аппаратуры
автоматизации [3]. Аппаратура состоит из автоматического выключателя QF; трехфазного симисторного ключа СК; контактора КМ; датчика напряжения ДН и тока ДТ; блока контроля сети БКС; блока контроля нагрузки БКН; блока контроля изоляции БКИ; микроконтроллера МК; блока индикации БИ; блока питания БП; блока сопряжения БС; датчиков уровня ДУ; переключателей «Мест./Дист.» S1 и «Ручн./Авт.» S2; кнопок «Пуск (мест.)» S3 и «Стоп (мест.)» S4 местного и «Пуск (дист.)» S5 и «Стоп (дист.)» S6 дистанционного управления.
Блок контроля сети БКС контролирует параметры напряжения сети и выдает сигнал аварии в случаях: обрыва фазы, несимметрии сети и снижении или превышении напряжения сети заданных значений. Блок контроля нагрузки БКН по сигналу с датчика тока ДТ определяет следующие аварийные режимы: короткое замыкание, перегрузку по току, обрыв фазы и «сухой» ход электродвигателя М1. Блок контроля изоляции БКИ контролирует величину сопротивления изоляции цепи питания двигателя и в случае снижения его ниже 30 кОм выдает сигнал на запрет пуска насоса. В качестве датчиков уровня ДУ используются два датчика, расположенных в верхней и нижней частях накопительного резервуара.
Все сигналы аварий, датчиков уровня ДУ, сигналы от переключателей S1, S2 и кнопок S3...S6 поступают на микроконтроллер МК, где после их обработки вырабатываются сигналы управления симисторным ключом СК и контактором КМ. В качестве микроконтроллера МК использован микроконтроллер фирмы «Microchip Technology PIC16F877A», имеющий необходимое количество портов ввода-вывода и тактовую частоту, достаточную для обеспечения требуемого быстродействия устройства.
Трехфазный симисторный ключ СК предназначен для регулирования напряжения, подаваемого на электродвигатель насоса М1 при пуске, и представляет собой силовые оптосимисторы, включенные в каждую фазу. Контактор КМ шунтирует симисторный ключ СК после пуска насоса, что уменьшает потери и повышает надежность работы аппаратуры. Блок сопряжения БС преобразует сигналы датчиков уровня ДУ в сигналы типа «сухой контакт».
При местном управлении насосной установкой используются кнопки «Пуск (мест.)» S3 и «Стоп (мест.)» S4, при дистанционном - «Пуск (дист.)» S5 и «Стоп (дист.)» S6.
В ручном режиме работы насос работает непрерывно на трубопровод или резервуар и включается и выключается вручную. При автоматическом режиме насос подает воду в резервуар и управляется от датчиков уровня ДУ в зависимости от уровня воды в резервуаре.
Устройство работает следующим образом. Пуск двигателя насоса осуществляется кнопкой «Пуск (мест.)» S3 при местном управлении и кнопкой «Пуск (дист.)» S5 при дистанционном управлении. Пуск также происходит с помощью сигнала с датчика нижнего уровня ДУ при автома-
тическом режиме работы установки.
Рис. 1. Структурная схема аппаратуры
После подачи сигнала на пуск микроконтроллер МК опрашивает сигналы аварий, поступающие на его входы. В случае их отсутствия начинается отсчет выдержки времени на включение, необходимое для гарантированного схода воды со скважины. По окончании выдержки времени микроконтроллер МК выдает импульсы управления симисторным ключом СК с требуемым углом регулирования, определяемым заданной величиной пускового тока. В результате симисторный ключ СК приоткрывается и производится плавный пуск двигателя М1 при пониженном напряжении, чем обеспечивается ограничение пускового тока двигателя заданным значением. Разгон с заданным значением пускового тока продолжается до тех пор, пока текущее значение угла регулирования тиристорами больше также изменяющегося угла сдвига фаз между первыми гармониками напряжения и тока. Когда это соотношение не соблюдается, тиристоры открываются полностью. После этого включается контактор КМ, шунтируя тем самым симисторный ключ СК, а импульсы управления симисторами снимаются и электродвигатель насоса М1 работает в нормальном режиме.
Остановить двигатель можно нажатием кнопки «Стоп (мест.)» Б4
при местном управлении и кнопки «Стоп (дист.)» 86 при дистанционном управлении. Остановка также происходит сигналом с датчика верхнего уровня ДУ при автоматическом режиме работы установки.
При поступлении сигнала аварии с блока контроля сети БКС микроконтроллер МК отключает контактор КМ и двигатель М1 от сети. Причем при восстановлении напряжения сети после ликвидации аварии происходит автоматическое повторное включение (АПВ) с последующим последовательным выполнением всех процедур пуска. Появление сигнала аварии с блока контроля нагрузки БКН также приводит к отключению двигателя М1 без АПВ. При этом при поступлении сигнала перегрузки по току время срабатывания защиты рассчитывается МК по времятоковой характеристике, записанной в память микроконтроллер МК. Сигналы аварий записываются в микроконтроллер МК и индицируются блоком индикации БИ.
Лабораторные испытания аппаратуры проводились на специально разработанном стенде, схема которого приведена на рис. 2 [4].
Стенд представляет собой электромашинный агрегат, включающий асинхронный электродвигатель М14А112М2У3 мощностью 7,5 кВт, нагруженный генератором постоянного тока 01 независимого возбуждения типа П-51У4 мощностью 5 кВт, а также измерительную и коммутационную аппаратуру, позволяющую имитировать аварийные режимы электродвигателя М1.
Электродвигатель М1 подключен к питающей сети через вводной автоматический выключатель QF1 и аппаратуру автоматизации (АА). Необходимо отметить, что питание цепей собственных нужд АА осуществляется от фазы А, а датчик тока электродвигателя М1 включен в фазе С.
К обмотке якоря генератора 01 с помощью выключателей 8А9-8А12 подключаются нагрузочные резисторы Я1-Я4. Обмотка возбуждения Ь01 генератора 01 питается от ЛАТРа Т1 через выпрямительный мост У01. Включение возбуждения осуществляется при помощи автоматического выключателя QF2.
В цепи питания электродвигателя М1, обмоток якоря 01 и возбуждения Ь01 генератора включены необходимые измерительные приборы.
Вольтметры РУ1 и РУ2 предназначены для измерения линейных напряжений соответственно питающей сети и на электродвигателе М1. Осциллограф Я0 позволяет наблюдать форму линейных напряжений и тока электродвигателя М1. Амперметр РА1 предназначен для измерения тока фазы С, потребляемого от сети, а амперметр РА2 предназначен для измерения тока фазы А электродвигателя М1.
В цепи питания электродвигателя М1, обмоток якоря 01 и возбуждения Ь01 генератора включены необходимые измерительные приборы.
Вольтметры РУ1 и РУ2 предназначены для измерения линейных
напряжений соответственно питающей сети и на электродвигателе М1. Осциллограф 1Ю позволяет наблюдать форму линейных напряжений и тока электродвигателя М1. Амперметр РА1 предназначен для измерения тока фазы С, потребляемого от сети, а амперметр РА2 предназначен для измерения тока фазы А электродвигателя М1.
Рис. 2. Схема экспериментального стенда для испытания аппаратуры
PV3 предназначен для измерения напряжения на якоре генератора G1. Амперметр РАЗ измеряет ток якоря генератора Gl. РА4 предназначен для измерения тока возбуждения обмотки LG1.
Резистор R5 имитирует сопротивление изоляции электродвигателя М1 и подключается к фазе В при помощи выключателя SA7.
Резистор R6 имитирует сопротивление короткого замыкания на выходе аппаратуры и подключается к фазе С при помощи выключателя SA8.
Выключатели SA1-SA8 предназначены для имитации аварийных ситуаций.
Лабораторные испытания экспериментального образца аппаратуры производились по специально разработанной методике.
В результате проведенных лабораторных испытаний экспериментального образца аппаратуры установлено, что аппаратура обеспечивает:
1) местное и дистанционное, ручное и автоматическое управление;
2) пуск после выдержки 30с (регулируется) при пониженном на-
пряжении с ограничением пускового тока на уровне 3 1ном;
3) АПВ при исчезновении напряжения сети;
4) продолжение работы при кратковременном (менее 1 с) исчезновении напряжения сети;
5) автоматическое отключение электродвигателя насосной установки:
- при несимметрии 30 %, снижении на 20 % до 304 В, повышении на 15 % до 437 В напряжения и обрыве фаз питающей сети при работе
- за время не более 20 с с последующим АПВ;
- при несимметрии 30 % и обрыве фаз питающей сети во время пуска - без выдержки времени без АПВ;
- при перегрузке 1,3 1ном - за время не более 10 с;
- при коротком замыкании - без выдержки времени;
- при несостоявшемся пуске - за время не более 10 с;
- при «сухом» ходе насоса - за время не более 5 с;
6. Запрет на включение насосной установки:
- при снижении сопротивления изоляции цепи электродвигателя менее 30 кОм;
- при неправильном чередовании фаз питающей сети;
- при перекосе и обрыве фаз питающей сети.
Проведенные испытания аппаратуры подтвердили ее работоспособность и правильность выбранных технических решений.
Таким образом, аппаратура автоматизации погружной насосной установки выполняет в соответствии с разработанным алгоритмом заложенные в нее функции и обеспечивает высокую надежность защиты электродвигателя погружного насоса от аварийных режимов.
Список литературы
1. Березин С.Е. Насосные станции с погружными насосами. М.: Стройиздат, 2008. 160 с.
2. Жуплов В. Об эксплуатации погружных скважных насосов // Насосы и оборудование. 2005. №2. С. 23.
3. Колесников Е.Б., Малков С.Б. Станция управления погружной насосной установкой. // Труды НИ «РХТУ им. Д.И. Менделеева». Сер. Промышленная энергетика / 2009. Вып.№4 (22). С. 79-83.
4. Колесников Е.Б., Малков С.Б. Испытания аппаратуры управления и защиты погружной насосной установки // Труды НИ «РХТУ им. Д.И. Менделеева». Сер. Промышленная энергетика. 2011. Вып. №5 (26).
С. 86-91.
E.B.Kolesnikov, S.B.Malkov
TESTS OF APPARATUS OF MANAGEMENT OF SUBMERSIBLE PUMPING EQUIPMENT
The block diagram and the description of apparatus of automation of submersible pumping equipment are resulted. Results of tests of a pre-production model of apparatus are presented. It is shown that the worked out apparatus covers all possible emergencies, thereby provides increase of reliability and productivity of submersible pumping equipment.
Key words: an artesian chink, a submersible pump, triac key, smooth starting, auto-reclosing, breakage of a phase, dry motion.
Получено 19.06.12
УДК 621.316.726
В.Г. Куницкий, канд. техн. наук, доц., (48762) 6-13-83, УОКип^ку@уапёех .ги
(Россия, Новомосковск, «РХТУ им. Д.И. Менделеева»)
ИССЛЕДОВАНИЕ НОВОГО УСТРОЙСТВА ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ДЛЯ ШАХТНЫХ КОМБИНИРОВАННЫХ СЕТЕЙ
Приведены результаты аналитического исследования тока однофазной утечки в шахтной комбинированной сети с преобразователем частоты рассматриваемого типа и индикатором асимметрии, работающим совместно с устройством защитного отключения на постоянном оперативном токе.
Ключевые слова: устройство защитного отключения, комбинированная сеть, преобразователь частоты, ток утечки.
Проблема обеспечения электробезопасности при эксплуатации шахтного электрооборудования остаётся актуальной и в комбинированных шахтных сетях, питающих частотнорегулируемые электроприводы горных машин. Анализ литературных источников показывает, что большинство выпускаемых в последнее время преобразователей частоты (ПЧ) для регулирования скорости вращения трехфазных асинхронных двигателей обеспечивают управление инвертором напряжения в режиме синусоидальной центрированной (симметричной) широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Ранее было показано, что помимо разработки принципиально новых устройств защитного отключения (УЗО), работоспособных в комбинированных шахтных сетях, экономически целесообразно расширение функциональных возможностей серийно выпускаемых промышленностью
