CC BY
47
© Г.И. Бабокин, В.Г. Куницкий, П.И. Шеленёв, 2009
Г.И. Бабокин, В.Г. Куницкий, П.И. Шеленёв
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УЧАСТКОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ С ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ И УСТРОЙСТВОМ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ
Приведены результаты исследований сети с УЗО на постоянном оперативном токе для шахтных сетей переменного тока промышленной частоты и индикатором асимметрии. Установлено, что применение индикатора асимметрии совместно с УЗО обеспечивает его работоспособность и в комбинированных шахтных электрических сетях.
Ключевые слова: математическая модель, устройство защитного отключения, комбинированная сеть, преобразователь частоты, оперативный ток
недрение в горное производство частотно-регули--я-Э руемого электропривода потребовало разработки специальных устройств защитного отключения (УЗО), работоспособных в шахтных комбинированных электрических сетях и обеспечивающих защиту персонала, обслуживающего шахтное электрооборудование, от поражения электрическим током [1].
Использование в комбинированных сетях УЗО для сетей синусоидального тока промышленной частоты оказалось невозможным из-за их неработоспособности в сетях комбинированных, обладающих рядом специфических особенностей [1], [2]. Экспериментальные исследования показали, что при возникновении и симметричной, и несимметричной утечек на участке переменного тока промышленной частоты (УПЧ) УЗО, выпускаемые серийно для шахтных электрических сетей синусоидального тока постоянной частоты и использующие в качестве оперативного постоянный, или импульсный содержащий постоянную составляющую, ток, практически полностью выполняют функцию защиты [3]. Если утечки возникают на участке переменного тока изменяющейся частоты (УИЧ), то в некоторых случаях наблюдаются ложные срабатывания УЗО, отключающего сеть при сопротивлениях изоляции в 2-3 раза превышающих допустимые значения. При возникновении несимметричной утечки на участке постоянного тока (УПТ) происходят либо ложные срабатывания (утечка с полюса «+» выпрямителя),
либо УЗО не срабатывает даже при коротком замыкании на землю с полюса «-» выпрямителя преобразователя частоты (ПЧ) [4].
Изложенное выше подтверждает необходимость создания специальных средств защиты для шахтных комбинированных электрических сетей. Одним из направлений решения этой проблемы является расширение функциональных возможностей выпускаемых промышленностью для шахтных электрических сетей переменного тока промышленной частоты УЗО, работающих на постоянном или импульсном, содержащем постоянную составляющую, оперативном токе. Для обеспечения работоспособности таких УЗО в шахтных комбинированных сетях авторами предложено специальное устройство - индикатор асимметрии (ИА), функциональная схема которого приведена на рис.1. Основными элементами схемы являются измерительный мост постоянного тока ИМПТ, в плечи которого включены полюсные сопротивления изоляции звена постоянного тока R+, и переменные сопротивления R1, К2, а также «про-тивоинвертор» БК с блоком переменных сопротивлений БАС. ИА предназначен для совместной работы с УЗО, воздействуя на его исполнительный орган и срабатывая только при несимметричной утечке с отрицательного полюса выпрямителя ПЧ, или заданной асимметрии сопротивлений полюсов выпрямителя R+ и относительно земли. При этом ИА не должен реагировать на другие утечки и не приводить к ложным срабатываниям УЗО.
Для подтверждения работоспособности системы «УЗО-ИА» были приведены теоретические исследования на математической модели участковой комбинированной электрической сети, приведенной на рис. 2 с ПЧ, обеспечивающим управление инвертором напряжения в режиме синусоидальной симметричной широтноимпульсной модуляции (ШИМ), УЗО и ИА. Модель составлена с учетом общепринятых допущений, принимаемых при анализе таких сетей. Влияние постоянного оперативного тока УЗО, подключенного к сети на УПЧ не учитывалось, так как оно устраняется регулировкой переменных сопротивлений R1 и Я2 (рис. 1) ИА.
В таблице приведены варианты включения транзисторов инвертора рассматриваемого типа. Обозначение элементов схемы рис. 2 соответствует обозначению элементов схемы защищаемой сети с ПЧ и ИА, приведенной на рис. 1.
Схема включения ключей инвертора__________________________________
№ | Замкнуты ключи в полюсах
п/п Полюс «+» Полюс «-»
1. - К2, К4, К6
2. К1, К3, К5 -
3. К1 К4, К6
4. К1, КЗ К6
5. КЗ К2, К6
6. КЗ, К5 К2
7. К5 К2, К4
8. К1, К5 К4
9. К1 К4
Анализ полученных результатов позволил получить зависимости основного параметра ИА - напряжение разбаланса ии ИМПТ - от степени асимметрии полюсных сопротивлений R-/R+ при различных значениях параметров сети, от характера, величины и места возникновения утечки и от схемы включения ключей инвертора. В качестве примера на рис.3 приведены три граничные кривые из семейства кривых, отражающие зависимость ии от степени асимметрии полюсных сопротивлений относительно земли при минимально допустимых сопротивлениях изоляции на УПЧ и УИЧ. Полученные зависимости позволяют установить порядок предварительной настройки ИА и выбрать его уставку срабатывания применительно к конкретному типу ПЧ и с учетом параметров защищаемой сети.
По результатам проведенных теоретических исследований была скорректирована разработанная ранее функциональная схема ИА и установлено следующее:
1) При отсутствии в схеме ИА «противоинвертора», даже при симметрии полюсных сопротивлений и их значительной величине, в измерительной диагонали моста (ИМПТ) появляется переменное напряжение прямоугольной формы, обусловленное влиянием инвертора ПЧ. Частота этого напряжения равна несущей частоте инвертора или кратна ей, а амплитуда определяется величиной выходного напряжения ПЧ и может достигать больших значений, что отрицательно сказывается на работе ИА.
2) При работе индикатора асимметрии (ИА) с «противоинверто-ром» и симметрии сопротивлений полюсов УПТ напряжение
ии в измерительной диагонали ИМПТ, при отсутствии утечек на других участках комбинированной сети, равно нулю, т.е. «проти-воинвертор» устраняет отрицательное влияние инвертора ПЧ на работу ИА.
3) При появлении асимметрии R+ и R- и когда несимметричная утечка (т.е. «однополюсная» утечка) возникает с полюса « - » выпрямителя, в измерительной диагонали ИМПТ появляется постоянное напряжение ии Ф 0, величина которого тем больше, чем выше степень асимметрии полюсных сопротивлений. Полярность этого напряжения такова, что и на выходе усилителя - детектора У напряжение. Если оно достигает уставки срабатывания ИА, то на выходе индикатора асимметрии появляется сигнал, воздействующей на исполнительной орган УЗО, которое в этом случае отключает защищаемую сеть.
4) Если несимметричная утечка возникает с полюса «+» выпрямителя, то в измерительной диагонали ИМПТ также появляется постоянное напряжение, но меняется его полярность и на выходе усилителя-детектора У ИА напряжение равно нулю, равно нулю и напряжение на выходе ИА. Но в этом случае, если утечка достигает недопустимой величины, УЗО срабатывает само, отключая защищаемую сеть.
5) Если и симметричная, и несимметричная утечки возникают на УПЧ и УИЧ, срабатывает само УЗО, отключая защищаемую сеть. При возникновении несимметричной (или однофазной) утечки в 1 КОм на УИЧ (т.е. происходит прикосновение человека) в измерительной диагонали ИМПТ кратковременно появляется переменное напряжение прямоугольной формы частота которого равна или кратна несущей частоте инвертора, но в этом случае через время ^р<0,1с срабатывает УЗО, отключающее защищаемую сеть. Переменная составляющая в напряжении ии подавляется фильтром Ф ИА и на выходе ИА напряжение отсутствует.
Таким образом, проведенные теоретические исследования показали, что применение индикатора асимметрии (ИА) совместно с УЗО для шахтных электрических сетей переменного тока промышленной частоты, работающими на постоянном, или импульсном, содержащем постоянную составляющую, оперативном токе, позволяет использовать такие УЗО и в комбинированных шахтных электрических сетях.
1. Бабокин Г.И., Щуцкий В.И., Серов В.И. Частотно-регулируемый электропривод горных машин и установок. - М.: Издательский центр РХТУ им. Д.И.Менделеева. - 1998 г. - 239 с.
2. Щуцкий В.И. Бабокин Г.И., Куницкий В.Г. Исследование токов утечки в шахтной электрической сети с частотно-регулируемым электроприводом // Электробезопасность. 1995. - №2. - С. 5-11.
3. Щуцкий В.И., Бабокин Г.И., Лазарев А.И. Экспериментальное исследование условий работы устройств защитного отключения в сети с преобразователем частоты // Электробезопасность 1996 - № 3-4. - С.31-41
4. Лазарев А.И. Разработка системы защитного отключения для шахтных электрических сетей напряжением до 1 КВ с частотно-регулируемым электроприводом // Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: Издательский центр РХТУ им. Д.И. Менделеева - 1998 - 23 с.
G.I.Babokin, V. G.Kunitsky, P.I.Shelenev
MATHEMATICAL MODEL OF A LOCAL ELECTRIC NETWORK WITH THE CONVERTER OF FREQUENCY AND THE DEVICE OF PROTECTIVE SWITCHING-OFF
Results of researches of a network with DPS on a constant operative current for mine networks of an alternating current of industrial frequency and the indicator of asymmetry are resulted. It is established, that application of the indicator of asymmetry together with DPS provides its working capacity and in the combined mine electric networks.
Key words: mathematical model, the device of the protective switching-off, the combined network, the converter of frequency, an operative current.
___ Коротко об авторах _______________________________________________
Бабокин Г.И. - профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Электротехника», проректор по научной работе,
Куницкий В.Г. - доцент, кандидат технических наук, кафедра «Электротехника»,
Шеленёв П.И. - инженер, ассистент кафедры «Электротехника»,
Новомосковский институт Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, rector@muctr.ru
