Резонансные перенапряжения в шахтных сетях вследствие применения аппаратов защиты типа уаки, азак, Азш, азур Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ПАР 22 ,

ЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА

МОСКВА, МГГУ, 31 января - 4 февраля 2000 года

^ Е.Ф. Цапенко, 2000

УДК 621.316.176:622

Е.Ф. Цапенко

РЕЗОНАНСНЫЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЯ В ШАХТНЫХ СЕТЯХ ВСЛЕДСТВИЕ ПРИМЕНЕНИЯ АППАРАТОВ

нофазных прикосновениях к сети.

Прежде чем выяснить отрицательные последствия ком-пенсации токов утечки на землю, проведем сравнение величин этих токов в схеме защиты без компенсации и после ее введения.

На рис. 1 показана расчетная схема на которой приняты следующие обозначения: ифа, ифв, ифс - фазные напряжения сети; иА, ив, ис - напряжения фаз сети относительно земли; и - напряжение смещения нейтрали; 1п - 01е повреждения изоляции; Rn - сопротивление в месте повреждения изоляции; R - активные сопротивления изоляции фаз сети относительно земли; СА, Св, Сс - емкости фаз

Рудничные аппараты защиты от токов утечки типа УАКИ, АЗАК, АЗШДЗУР и др. со встроенными в них элементами компенсации емкостной составляющей тока утечки выпускаются отечественной промышленностью с 1963 года [1,2,3,].

Первым было поставлено на промышленное производство устройство типа УАКИ (устройство автоматического контроля изоляции), работающее на вентильной схеме. В этом устройстве компенсация тока в месте повреждения изоляции (тока утечки) или тока через тело человека случайно прикоснувшегося к токоведущей части, осуществляется при помощи индуктивности дросселя, включенного между общей точкой конденсаторов, соединенных в звезду и землей. Дроссель вместе с конденсаторами назван авторами УАКИ компенсатором.

Вскоре вместо УАКИ появились аппараты типа АЗАК (аппарат защиты с автоматической компенсацией), работающие также на вентильной схеме. В них компенсация как и в УАКИ осуществляется дросселями насыщения, однако их индуктивность настраивается в резонанс с емкостью сети автоматически при помощи специальных регуляторов.

В дальнейшем без каких либо критических объяснений указанные аппараты были сняты с производства и начался выпуск аппаратов типа АЗШ (аппарат защиты шахтный), работающие на принципе наложения оперативного тока на контролируемую сеть. В АЗШ регуляторы настройки дросселя в резонанс с емкостью сети оказались несравненно сложнее, что намного усложнило всю схему аппарата.

И, наконец, появились аппараты типа АЗУР (аппарат защиты унифицированный рудничный), которые в принципе ничем не отличается от АЗШ.

Несмотря на то, что все промышленные аппараты защиты оснащены устройствами компенсации, эффективность ее никогда и никем не анализировалась. Не проводились аналитические сравнения токов утечки при наличии компенсации и без нее. А это главный вопрос, ради которого авторы компенсации внедрили ее в известные устройства контроля изоляции. Единственным аргументом в пользу применения компенсации токов утечки было голословное утверждение, что величина тока через тело человека, случайно прикоснувшегося к фазе сети снижается в 1,5-2 раза [4].

Таким образом цель компенсации по утверждению ее авторов состоит в уменьшении тока через тело человека при его од-

рующий дроссель; С - емкости конденсаторов, образующих искусственную нулевую точку, к которой присоединяется дроссель; К - компенсатор.

Общая проводимость искусственной нулевой точки, образованной конденсаторами С должна быть много больше проводимости компенсирующего дросселя, т.е. должно выполняться условие:

3юС ®® —, (1)

где L - индуктивность дросселя; *=2 7Г/ - угловая частота. В этом случае можно полагать, что дроссель включен в нейтраль источника питания сети.

Ток повреждения изоляции (ток утечки) в схеме рис. 1 найдем на основании известных методов расчета трехфазных цепей. Имеем:

3

—ь 7(0

R

CB (1 - a)+ CC (1 - a)~

1

o2L

(2)

R

Т+R+JTA + Cb + Cc -0l

Чтобы найти ток 1П при отсутствии компенсации нужно положить L = ю. При небольшой протяженности сети (такими являются шахтные сети) активное сопротивление проводов относительно земли имеет достаточно большое значение, в пределе - бесконечность. Поэтому можно пола-гать

что, 3/R = О.

В этих условиях выражение (2) примет вид;

J®\

ф

1CB j1 - q2 )+ CC і1 - a)J

1 + JmRn jCA + Cb + Cc )

(3)

При наличии компенсации и настройки ее в резонанс, когда

C + C

A B

+ CC -■

1

ú)2L

выражение (2) можно представить как

1П = ифJo

CB (/ - a2)+CC (1 - a)-

o2L

(4)

сети относительно земли;Ор - компенси

1

п

Из полученных выражений (3) и (4) следует, что при наличии асимметрии емкостей сети относительно земли (а она практически всегда имеет место) ток повреждения с компенсацией может превышать этот ток при отсутствии компенсации

ГГ Г

т.е. I > I . Более того из (4) следует, что ток утечки

и

I не зависит от величины сопротивления Rn, имеющегося в месте повреждения изоляции, если Rn 0 00.

Уравнения: (3) и (4) справедливы и для случая прикосновения человека к одной фазе. При этом вместо сопротивления Rn, следует принимать сопротивление тела человека Rи, а вместо тока повреждения - ток через тело человека ¡¡¡.

О каком преимуществе компенсации в таком случае можно говорить? На устройство автоматических компенсаторов затрачены большие материальные и денежные средства. Схема аппаратов, из-за введения в них элементов для компенсаторов усложнена настолько, что их эксплуатация представляет значительные трудности. Неоправданная сложность схем является причиной многократных ложных срабатываний аппаратов, вследствие чего нередко их отключают вообще. Но самый главный недостаток состоит в том, что наличие в схеме элементов автоматической компенсации токов утечки приводит к резонансным перенапряжениям, пробоям изоляции кабелей и электрооборудования, что в конечном счете способствует возникновению пожаров и взрывов в шахтах.

Рассмотрим схему рис. 1 с точки зрения возникновения в ней резонансных перенапряжений.

В нормальном режиме работы сети, когда повреждение отсутствует Rn = о в схеме возможно возникновение опасных для изоляции сети перенапряжений. Из электротехники известно, что всякие резонансные явления приводят к перенапряжениям и сверхтокам. Определим условие, при котором возможно возникновение резонанса напряжения в схеме рис. 1 сети с изолированной нейтралью.

Перенапряжения относительно земли удобно характеризовать напряжением смещения нейтрали Цт, так как. оно определяет напряжение фаз сети относительно земли:

Цд = ЦфА — Цл, Цв = ЦфВ — Цл ,

Цс = Цфс — Цл

1бе нормальном режиме работы сети, т.е. до

появления повреждения изоляции в одной из фаз (Кп = о), напряжение смещения нейтрали равно

+ а2Св + аСс )

./Щ А + а С в + <

3 ( 1

—ъ і\ ®СЛ + ®Св + ®Сс----------

R { А в С ^

(5)

і .43

і .43

Здесь: а —------+ ]-----, а —---------]------ —

2 2 2 2

фазовый множитель, ] — мнимая единица. Следовательно кратность перенапряжений может быть рассчитана из уравнения

К=^=ю

и,

1

Са + СБ + Сс )2 - 3{САСВ + СвСс + СсСл ) (6)

—— + 4\СА + Св + СС---------------2—

Я2 { А в С (02Ь

1

При резонансе, когда С + С + С =

со2Ь

кратность перенапряжения имеет наибольшее значение и определяется уравнением

Я® н

£ — 3\СасВ + сВсС + ССС а ,

К_ = -®^с£ — з{саСв + СвСс + СсСа ) (7)

где с 2 — СА + св + Сс — суммарная емкость сети относительно земли.

Когда сеть имеет небольшую протяженность (а такими являются шахтные сети), активное сопротивление проводов относительно земли может достигать больших

значений, в пределе — бесконечности. Теоретически при R = о кратность перенапряжений как следует из (7), также достигает бесконечности, а следовательно таких же значений достигают и напряжения фаз сети относительно земли.

В реальных условиях эксплуатации сетей, конечно, кратность перенапряжения не может достигать бесконечных значений. Однако она может принимать самые различные значения в зависимости от конкретных параметров сети. Но даже при трехкратном увеличении напряжений фаз сети относительно земли возможен пробой изоляции кабелей и электроустановок со всеми вытекающими из этого последствиями.

2

В качестве примера влияния активных сопротивлений изоляции R на перенапряжения на рис.2 и рис 3 приведены кривые зависимостей кратностей перенапряжений К от коэффициентов асимметрии емкостей фаз сети относительно земли КС, построенные по формуле (6) при:

СА —10-6 Ф, СВ —(1 - КС )ю-6 Ф,

Сс —(1 + Кс )10 -6 Ф

Кривые 1 2, 3, 4 построены для сопротивлений 103, 104, 105, 106 кОм соответственно. Кривым на рис.2 соответствует коэффициент компенсации Кр = 0,05, кривым на рис. 3 соответствует Кр,= 0,1.

Индуктивность компенсирующего дросселя найдена из соотношения:

Ь — со23С (1 - Кр) ’ где: 3С — СА + Св + СС.

Как видно из приведенных кривы кратность перенапряжений растет с увеличением активных сопротивлений изоляции R, что подтверждает правильность сделанных выводов для предельных условий.

Известно, что одной из основных причин пожаров и взрывов в шахтах является возникновение электрической искры достаточной мощности для воспламенения метановоздушной смеси. Эти искры обусловлены токами между токоведущими частями и землей, возникающими в местах повреждения изоляции кабелей и электрооборудования.

Для ограничения токов утечки до безопасной величины «Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах» предписывают применение устройств защиты так называемых реле утечки типа УАКИ, АЗАК, АЗШ и др. Как следует из приведенного анализа эти устройства не только не защищают сети от опасных токов утечки, но и сами нередко являются причиной возникновения пожаров и взрывов в шахтах.

Возникает парадоксальная ситуация. Сначала, из-за применения компенсации токов в сети возникают перенапряжения, приводящие к пробою изоляции и появлению токов утечки, а затем эти опасные токи утечки должны отключаться указанными устройствами защиты. В свете сказанного нетрудно объяснить

причины трагедий, происшедших на шахтах «Зыря-новская» в Кузбассе, «Центральная» в Воркуте, на шахте им. А.А. Скочинского в Донецке, им. Кирова в Луганской области, и многие др. По заключению экспертной комиссии причиной аварии на шахте «Зыря-новская» стало разрушение изолируюшего самоспаса-теля типа ШСС инициировавшее воспламенение ме-танопылевоздушной смеси в загазованном участке шахты. Допустим, что так и было на самом деле. А как объяснить аварии последнего времени на шахтах «Центральная» в Воркуте им. А. А. Скочинского в Донбассе, им. Кирова в Луганской обл. и др. Таким образом промышленные устройства защиты от токов утечки не отвечают требованиям такой защиты.

В свете сказанного требуется переработка принципиальных схем указанных аппаратов защиты. Она состоит прежде всего в том, чтобы исключить компенсаторы вместе с автоматическими регуляторами, настраивающимися в резонанс с емкостями сети с дросселями насыщения. От этого принцип работы аппаратов не изменится, а схемы будут несравненно проще, а следовательно более надежными в работе. Такую модернизацию возможно сделать с использованием оболочек уже выпущенных промышленностью устройств и элементов их схем, т.е. на существующей базе. Это наиболее простой и дешевый способ достижения качественной работы устройств защиты от токов утечки в шахтных сетях напряжением до 1000 В.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ции токов утечки на землю. - Промышленная энергетика, 1998, № 10.

6. Цапенко Е.Ф. 0 компенсации токов утечки на землю в шахтных сетях при применении рудничных аппаратов типа УАКИ, АЗАК, АЗШ, АЗУР. - Промышленная энергетика, 1999, № 4.

1. Реле утечки УАКИ-380. Инструкция по монтажу, наладке и эксплуатации, завод «Электроаппарат», г.Прокопьевск, 1963.

2. Аппарат защиты от утечки с устройством компенсации емкостной составляющей токов утечки типа АЗАК. Инструкция по монтажу, наладке и эксплуатации. Про-копьевский завод шахтной автоматики г. Прокопьевск, 1976.

3. Аппарат защитного отключения шахтный типа АЗШ. Руководство по эксплуатации г. Кемерово. Редакционноиздательский отдел, 1982.

4. Цапенко Е.Ф. О реле утечки типа УАКИ. — Промышленная энергетика, 1968, № 6.

5. Цапенко Е.Ф. Резонансные перенапряжения в шахтных сетях при компенса-

IЦапенко Евгений (Федорович профессор, докчор юхничсских наук, кафедра элекчро-

юхники, Московский тсударавенный трный униксрсию!.