CC BY
110
Я.А. Жигарловский
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОБОСОБЛЕННОГО ЗАЗЕМЛИТЕЛЯ И УСТРОЙСТВ ЗАЩИТ ОТ ТОКОВ МАЛЫХ ВЕЛИЧИН
Рассмотрена проблема возможности возникновения в электротяговой сети коротких замыканий с различными токами замыкания. Изложена методика по определению основных технических характеристик обособленного зазем-лителя и устройств защит от токов малых величин. Для совершенствования расчетов предложено использование пакета Matlab-Simulink.
Ключевые слова: экскаватор, карьерная электрическая сеть, ковш, аварийный режим, заземляющее устройство, сопротивление, ток короткого замыкания, напряжение прикосновения, «.Рельс-грунт», моделирование.
Особенностью работы карьерной электротяговой сети является возможность возникновения в ней коротких замыканий с большими токами короткого замыкания >5 кА на землю (металлическое замыкание контактного провода на рельсы вблизи тяговой подстанции) и коротких замыканий с малыми токами <5 кА, сравнимыми ср токами нагрузки (касание ковшом экскаватора контактного провода, замыкание контактного провода на землю через горную массу в думпкаре, обрыв контактного провода). Защита от коротких замыканий с большими токами традиционно осуществляется максимальными токовыми защитами автоматических выключателей [1], а защита от токов малых величин сопряжена с рядом трудностей.
При исследовании параметров аварийного режима и разработке основных технических требований к защите от токов малых величин следует обратить внимание на устройство заземления карьерного экскаватора, работающего на погрузке горной массы в думпкары электрифицированного железнодорожного транспорта. Согласно п. 479 ЕПБ [2] заземление экскаваторов, работающих на погрузке горной массы в забоях с контактными сетями электрифицированного транспорта, должно осуществляться:
- на общее заземляющее устройство (ЦЗ), при оборудовании контактной сети защитой, отключающей напряжение контактной сети при прикосновении ковша экскаватора к контактному проводу;
- на обособленный заземлитель (ОЗ), металлически не связанный с общей сетью заземления, но металлически связанный с рельсами железнодорожных путей горного участка, при отсутствии защиты, реагирующей на прикосновение ковша к контактному проводу.
При заземлении на экскаватора ЦЗ, в случае касания контактного провода ковшом экскаватора, создается цепь тока: тяговая подстанция^-контактный провода-корпус экскавато-
ра^-заземляющая жила питающего кабеля экскавато-
ра^-приключательный пункт^-магистральная заземляющая
сеть^-центральный заземлитель. Также часть аварийного тока стекает с корпуса экскаватора, в виду его близкого месторасположения, в рельс.
В случае заземления экскаватора на ОЗ, при касании контактного провода ковшом экскаватора, создается цепь тока: тяговая подстанция^-контактный провода-корпус экскавато-
ра^-обособленный заземлитель^-рельс.
Ток короткого замыкания, при касании контактного провода ковшом экскаватора, определяется как зависимость напряжения тяговой подстанции и полного сопротивления цепи замыкания:
и
1 = f (_=Ш), кз
где итп - напряжение тяговой подстанции; 2^ - полное сопротивление цепи прохождения тока; 2^ при заземлении экскаватора на ЦЗ определяется выражением:
2 = R + R + R = (R + R ) +
Е сз рс кс з.общ ем
, (1)
R и
+—п + (2 + р х L + р х L )
L кп пл пл ол ол
р
где - эквивалентное сопротивление сети заземления; Rрс - эквивалентное сопротивление рельсовой сети; Rкс - эквивалентное сопротивление контактной сети; Яз.общ - общее сопротивление сети заземления; - сопротивление естественного заземления горных машин и оборудования (буровой станок, экскаватор); - переходное сопротивление «рельс-грунт»; Цр - длина рельсового пути; 2кп -полное сопротивление контактного провода; рпл, рол - удельные сопротивления контактного провода и проводов, питающих и отса-
сывающих линий; Lпл, Loл - длины контактного провода, питающих и отсасывающих линий соответственно.
Величина переходного сопротивления «рельс-грунт» может определяться по формуле полосового заземлителя, расположенного у поверхности:
п 1 ь
где 1 - длина рельсовой цепи; Ь - ширина подошвы рельса; р -удельное сопротивление грунта.
Однако величина найденная по формуле (2) не является истинной в виду того, что данный расчет не учитывает ряд особенностей, таких как:
• состояние рельсовых стыков;
• степень изношенности рельсов;
• резкое колебание величины сопротивления грунта вдоль участка рельсовой цепи;
• колебание механической нагрузки на рельсовую цепь;
• неплотное прилегание рельса на грунт.
Принимая в виду вышесказанное переходное сопротивление «рельс-грунт» необходимо определять экспериментальным путем, для каждого забойного экскаватора индивидуально.
Полное сопротивление контактного провода определяется по формуле:
где Rкп - активное сопротивление контактного провода; Хкп - полное реактивное сопротивление; Х]^ - индуктивное сопротивление; ХС -емкостное сопротивление; ркп - удельное сопротивление контактного провода; - длины контактного провода.
Для воздушных линий Х]^ и ХС соответственно равны:
(2)
(3)
X = 0,2юх L (1п— + 0,25) х10“3,
L кп Ro
С кп ®10-6
где О - угловая частота; Ь - высота подвеса контактного провода; Я -радиус внутренней обкладки; 2^ при заземлении экскаватора на ОЗ определяется выражением:
2 = Я + Я + Я + Я = (Я + Я ) +
Е сз рс кс оз з.общ ем
Я
+—п + (2 + р х L + р х L ) + Я
L кп пл пл ол ол оз р
(6)
где Яоз - сопротивление обособленного заземлителя.
Дальнейшему совершенствованию методов расчёта параметров аварийного режима может способствовать использование новейших технических средств расчёта в виде пакета МАТЦАВ-Simu1ink [3]. В частности, возможно использование средств этого пакета для повышения точности при расчётах аварийных токов, оценки применения и разработке требований к обособленному за-землителю.
Выполненные в пакете МАТЦАВ^тиНпк модели процесса касания контактного провода ковшом экскаватора, заземление которого произведено на общее заземляющее устройство и на обособленный заземлитель, содержат стандартные элементы библиотеки SimPowerSystems.
Моделирование было проведено для экскаватора ЭКГ-8, работающего на погрузке горной массы в забое с контактной сетью напряжением 10,5 кВ с глухозаземленной нейтралью трансформатора, высота подвеса контактного провода принята равной 6 м.
На рис. 1, 2 представлены некоторые результаты, полученные при моделировании в пакете МАТЦАВ^тиПпк.
Моделирования в пакете МАТЦАВ^тиПпк позволило установить следующие результаты, имеющие практическое значение:
• напряжение прикосновения к корпусу экскаватора, коснувшегося ковшом контактного провода, при применении ОЗ составило 270 В, а при заземлении экскаватора на ЦЗ - 750 В. Таким образом, применение ОЗ экскаватора с рельсом в момент касания позволяет снизить напряжение прикосновения к корпусу экскаватора до 3 раз.
• напряжение между корпусом коснувшегося экскаватора и рельсом при заземлении на ЦЗ составило 2700 В, тогда как
Рис. 1. Результаты моделирования при касании контактного провода ковшом экскаватора, заземленного на общее зазем-ляющ ее устройство
Рис. 2. Результаты моделирования при касании контактного провода ковшом экскаватора, заземленного на обособленный заземлитель
№ п/п Характеристика Величина
1. Установившийся аварийный ток через ОЗ, А, не более 5000
2. Время существования аварийного тока, с, не более 0,5
3. Напряжение срабатывания устройства защиты, В, не менее 150
4. Время срабатывания устройства защиты, с, не более 5 ХЮ'3
5. и„р к корпусу экскаватора, В, не более 200
при заземлении экскаватора на ОЗ, это напряжение отсутствует, так как корпус экскаватора и рельс являются равнопотенциальными.
• ток в заземляющей жиле питающего кабеля экскаватора при заземление на ЦЗ составил 1150 А, что не позволяет предохранить жилу от перегорания, тогда как при заземлении на ОЗ этот ток отсутствует.
• аварийный ток при заземлении экскаватора на ЦЗ составил 1250А, при заземлении экскаватора на обособленный заземлитель составил 2300А, данное значение тока позволяет считать, что МТЗ установленная на тяговой подстанции должна сработать и отключить напряжение контактной сети.
По результатам проведенного моделирования были получены основные технические характеристики (таблица), которым должен соответствовать ОЗ и устройство защиты, отключающее напряжение контактной сети при прикосновении ковшом экскаватора к контактному проводу.
Сопоставление значений аварийных токов, полученных путем моделирования в пакете МАТЦАВ^тиПпк и с помощью расчетных формул, показало, что их различие находится в пределах ±3 ^ 5 %.
В результате выполненного исследования параметров аварийного режима при касании контактного провода ковшом экскаватора, можно сделать следующие основные заключения:
1. Величина аварийного тока может быть вполне определена при знании величин трех эквивалентных сопротивлений: сети заземления, рельсовой сети и контактной сети.
2. Установлено, что при касании контактного провода ковшом экскаватора, заземленного на ЦЗ, расположенного примерно в середине сети заземления, величина аварийного тока максимальна.
3. Установлено, что в условиях открытых горных разработок, характеризующихся, как правило, незначительной длиной боковых контактных сетей, при значительных величинах переходного сопротивления «рельс-грунт» последнее преимущественно определяет эквивалентное сопротивление рельсовой цепи.
4. Разработанный аналитический метод и модели в пакете МАТЬАВ^тиНпк, могут быть рекомендованы для использования в инженерных расчетах.
--------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Правила устройства электроустановок. 7-е издание. - М.: Энергосервис,
2005.
2. Единые правила безопасности при разработке месторождений полезных ископаемых открытым способом. - М.: Госгортехнадзор России, 2003. Н5ГД=Д
Zhigarlovsky JA. A.
DEFINITION OF TECHNICAL CHARACTERISTICS OF OBOSOB-LENNOGO 3A3EMHHTEHH AND DEVICES OF PROTECTION AGAINST CURRENTS MA-LYH OF SIZES
The problem of an opportunity of occurrence in an electro traction network of short circuits with various currents of short circuit is considered.
The technique by definition parameters of isolated grounding and safety device For perfection of calculations use ofpackage Matlab-Simulink is offered.
Key words: dredge, career electric network, ladle; emergency operation, grounding device, resistance, current of short circuit, voltage of a touch, «rail -ground», modeling.
Коротко об авторе _________________________________________
Жигарловский Я.А. - главный инженер проекта, ЗАО «Промтех», email: jan2003@bk.ru
