CC BY
31
-------------------------------------------------- © Ю.Е. Бабичев, 2004
УДК 621.3.014.6 Ю.Е. Бабичев
НОВЫЕ ПОДХОДЫ К ИЗМЕРЕНИЯМ И КОНТРОЛЮ ТОКОВ УТЕЧКИ В ШАХТНЫХ СЕТЯХ
Семинар № 18
Ту аспределенные по сети токи утечки
-МГ являются нормальным явлением, сопровождающим любой переменный ток. Пока эти токи не превышают допустимого уровня, они, хотя и снижают безопасность, но не ограничивают режимов работы электроустановок, подключенных к сети. Однако локальные повреждения изоляции приводят к возникновению локальных же токов утечки, способных воспламенить метано-воздушную смесь, то есть привести к пожару и взрыву в шахтах, что делает невозможным нормальную работу электрооборудования. Такие повреждения возникают в результате, как правило, механических воздействий на кабели и, реже, в результате естественного старения изоляции. Отсюда очевидно, что непрерывный контроль токов утечки является необходимым условием обеспечения безопасности эксплуатации шахтных электрических сетей. При этом следует учитывать, что непосредственное измерение токов утечки невозможно, поэтому контроль ведется косвенными методами, основанными на общепринятой модели изоляции шахтных сетей с изолированной нейтралью. При этом распределенные токи утечки отдельных фаз на землю представляются суммарными токами на зажимах распределительного устройства низшего напряжения питающего сеть трансформатора. Это возможно, поскольку стоит задача определения наибольших токов утечки. Если токи утечки любой фазы на землю превысят предельно допустимое значение, сеть должна быть отключена. В этом состоит основная задача устройств защиты от токов утечки.
Под током утечки будем понимать ток проводимости, возникающий между отдельными фазами сети и между каждой фазой и землей, возникающий вследствие несовершенства изоляции. Этот ток является неравномерно распределенным по всей сети из-
за различных внешних воздействий на разных участках. Например, в точках подвеса кабеля он больше, чем в промежуточных точках, ток больше в местах изгиба кабеля с малым радиусом и т.д.
Возникающие в сети переменного тока частичные емкости между токоведущими жилами и между проводниками и землей практически симметричны в силу конструктивных особенностей шахтной кабельной сети. Поэтому емкости отдельных фаз сети относительно земли одинаковы.
С учетом вышесказанного, схема замещения сети для определения токов утечки принимает вид, представленный на рис. 1.
Здесь параметрами изоляции являются сосредоточенные на зажимах обмоток трансформатора (Г) (или на зажимах распределительного устройства) активные сопротивления (Як) и емкости фаз (C) относительно земли (к = 1, 2, 3). Проводимости изоляции фаз относительно земли (Yk) определяют токи отдельных фаз на землю (Ik). Каждый ток (Ik) имеет активную (Iky - ток утечки) и реактивную (Ike - ток смещения) составляющие.
В симметричной системе трехфазных напряжений и при симметричных параметрах изоляции все соответствующие токи отдельных фаз равны по модулю. Именно так считают большинство авторов, учитывая только повреждение изоляции, происходящее в одной фазе. При этом определяется ток однофазной утечки на землю только в месте повреждения. Расчет этого тока ведут в предположении равенства сопротивлений изоляции отдельных фаз относительно земли. В действительности, как уже было отмечено выше, эти сопротивления принципиально различны из-за разных внешних воздействий на отдельных участках кабельной сети. Поэтому ток утечки на землю рассчитывается с
Рис. 1. Схема замещения сети с изолированной нейтралью
Рис. 2. Схема замещения сети с изолированной нейтралью с добавочной активной проводимостью на землю
недопустимо большой погрешностью (теоретически до 300 %).
Для определения сопротивлений изоляции отдельных фаз и суммарной емкости сети относительно земли можно использовать предложенный еще в 1907 г. метод подключения добавочной проводимости (рис. 2) между какой-либо фазой сети и землей [1].
При этом измеряются напряжения фаз относительно земли и на основе этих данных рассчитываются не только параметры изоляции, но и токи утечки отдельных фаз на землю.
Для измерений можно использовать аналого-цифровую систему с измерительным блоком (БИ), представленным на рис. 3. Аналоговые сигналы иА (Г), иВ (Г), иС (Г) и иМ’М (Г) преобразуются в АЦП в цифровые сигналы и затем обрабатываются в микропроцессорной части устройства.
В БИ для измерений напряжений фаз между каждой фазой и землей установлен делитель напряжения Я1 - Я2. Сигнал пропорциональный напряжениям фаз снимается с нижнего плеча делителя. Для измерения фазного напряжения сети создается искусственная нулевая точка (М). Измерения проводятся для двух режимов работы: без дополнительной проводимости в одной из фаз и с дополнительной проводимостью (активной - Ядоп и реактивной - Сдоп).
Для реализации этих режимов предусмотрены ветви, содержа-
Рис. 3. Функциональная схема блока измерения напряжений (БИ) и входных цепей блока преобразования (БИ)
щие дополнительные проводимости и управляемые полупроводниковые ключи (КС и КО). В БП вычисляются активные сопротивления изоляции и токи утечки на землю отдельных фаз, а также общая емкость сети относительно земли.
Массивы измеренных данных представляют собой:
напряжения без добавочной проводимости
и
А (Гк ) = иА 8Ш(Ю- Гк +«а )
*в (гк ) = ив этС®- Гк +«В );
ис (Гк ) = ис 81П(^' Гк +«С ) и
иММ (Гк ) = иNN 81П(® • Гк + аы[ы)
напряжения с добавочной проводимостью и а (Гк) = и 'а Гк +«' а );
и
В (Гк) = и 'в зт(«- Гк +а\);
и с (Г к) = и 'с 8!П(«- Гк +а'с) и
и NN (Гк ) = и NN 81п(® ' Гк +а NN ) .
Для определения амплитуды и начальной фазы нужны как минимум три отсчета при Г = Гк-1, Г = Гк и Г = Гк+1. При этом частота сети считается неизменной. Частоту можно уточнить по совокупности отсчетов за интервал больше периода.
В результате будут известны следующие данные: иА, иВ, ис, иА, иВ, ис, UN'N, UNN, аА, аВ, а£, а1 А, а'В, ыс, aNN, a'N'N, а также добавочная проводимость оДОБ или ЬДОБ и линейное напряжение сети ЦЛ.
Полная комплексная проводимость изоляции всех фаз сети относительно земли рассчитывается по формуле (при активной добавочной проводимости):
V — о 1 ~ Ц-NN
к-ъ- Ядоп ' и, _ и ■
U-NN UNN
Активные проводимости изоляции отдельных фаз на землю рассчитываются по формулам:
ОА = (о! +2-О1)/3,
ОВ = (02 - О1 - О2)/3,
ос = (дЪ - О1 + О2)/3,
где П1 = (п!,-ГэТ - и£.-ГЭТ) . ГФж
П2 = т/3 -(пЕ-ГЭТ + иЕ -ГэТ) . ГФюж
UN'N = UN+}■ U’N.
Рис. 4. Осциллограммы напряжений фаз сети относительно земли при подключении добавочной активной проводимости к фазе С
Токи утечки для любой фазы рассчитываются по формуле:
гу=о-и.
Здесь о активная проводимость соответствующей фазы, и -соответствующее напряжение фазы относительно земли.
Расчеты токов утечек отдельных фаз по приведенным выше соотношениям
выполняется микропроцессорным устройством обработки измеренных значений.
Алгоритм работы устройства должен предусматривать непрерывное определение токов утечки отдельных фаз на землю. Для этого в течение 2 периодов питающего напряжения проводятся измерения без добавочной проводимости, а затем в течение следующих 2 периодов - с добавочной активной проводимостью. После обработки массивов значений и расчетов по приведенным выше соотношениям активная проводимость отключается. Затем через два периода подключается реактивная проводимость и в следующие 2 периода измеряются массивы данных. Вновь проводятся вычисления и результаты сравниваются с предыдущими. Если погрешность определения токов утечки не превышает 5-10 %, то рассчитанные токи сохраняются в памяти и выводятся на индикатор. В противном случае в течение ближайших 2 периодов определяется «поврежденная фаза» и рассчитывается ток утечки. Если ток в поврежденной фазе не превышает допустимого, то измерения повторяются по приведенному алгоритму. Если же ток превышает допустимое значение, то в течение ближайших 2 периодов питающего напряжения измерения повторяются и в случае подтверждения полученных значений тока вырабатывается сигнал на отключение сети.
Следует заметить, что информация о мгновенных напряжениях фаз относительно земли позволяет определять поврежденную фазу (если таковая имеется) в течение 1-2 периодов напряжения сети. Кроме того, эта информация позволяет косвенно рассчитать количество электричества, проходящего через утечку.
Как показали наши исследования, время переходных процессов в шахтных сетях с напряжениями не выше 1140 В не превышают полутора периодов питающего напряжения. В качестве примера на рис. 4 приведена осциллограмма напряжений, полученная на математической модели при подключении (в момент Г = Гвкл) добавочной активной проводимости в фазе с в сети напряжением 1140 В.
1. Sachulka «Bestimmung das Isolations wideretandes und deг Kapazitat єї^єіпєг LeiteT von Wechselstromanlagen warend das Betriebes». ETZ, 1907, S. 457 - 485.
Следует заметить, что на современном этапе развития техники обеспечить существующие требования [2] к безопасному напряжению прикосновения и безопасному току через тело человека в случае повреждения изоляции для шахтных сетей с напряжением выше 220 В практически невозможно.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
2. ГОСТ 12.1.038-82 ССБТ Электробезопасность. Предельно допустимые значения напряжений прикосновения и токов. /С изменениями № 4878 от 24.12.87.
— Коротко об авторах -----------------------------------------------------------------
Бабичев Ю.Е. — .доцент, кандидат технических наук, Московский государственный горный университет.
------------------------------------- © А. В. Ляхомский, В. Г. Ивахник,
2004
УДК 622.002.5
А.В. Ляхомский, В.Г. Ивахник
СОЗДАНИЕ УНИФИЦИРОВАННОГО ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО РЯДА ПРИВОДОВ МОЩНЫХ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ГОРНЫХ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
Семинар № 18
МГГУ, совместно с ОАО «Российский электротехнический
концерн» («РОСЭЛПРОМ»), на основе обобщения мирового и отечественного опыта применения приводов электромеханических систем (различных конвейеров, дробильно-сорти-ровочного, обогатительного и др. оборудования), разрабатывается для внедрения в горно-добывающей и других отраслях про-
мышленности оптимальный параметрический ряд рациональных приводов, целенаправленно изготовляемых применительно к условиям эксплуатации, включающих: редуктора, пуско-предохрани-тельные гидродинамические муфты и электродвигатели, обеспечивающие равнонагруженность привода в сочетании с целенаправленным подбором динамических характеристик муфт.
