CC BY
56
© Г.И. Бабокин, О.В. Селин, 2011
Г.И. Бабокин, О.В. Селин
ОБОСНОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ПАРАМЕТРОВ ЗАЩИТЫ ОТ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ В ШАХТНОЙ УЧАСТКОВОЙ СЕТИ С МНОГОДВИГАТЕЛЬНЫМ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМЫМ ЭЛЕКТРОПРИВОДОМ
Предложена структурная схема защиты от коротких замыканий в системе преобразователь частоты — участковая электрическая сеть, питающая несколько асинхронных двигателей. Получены зависимости времени срабатывания защиты от разных значений порогового напряжения при различных режимах работы электропривода при двухфазном и трёхфазном коротких замыканиях.
Ключевые слова: многодвигательный частотно-регулируемый электропривод, аварийный режим, короткое замыкание, пороговое напряжение, время срабатывания.
ш применение частотно-регулируемого электропривода
.М. Ж. (ЧРЭП) в оборудовании шахтной участковой сети приводит к появлению участка кабельной сети между преобразователем частоты (ПЧ) и асинхронным двигателем (АД) с переменной частотой и напряжением. Этот участок необходимо защищать от аварийных режимов. Под аварийным режимом работы шахтной участковой сети понимаются режимы трехфазного и двухфазного короткого замыкания (к.з.) на участке сети между ПЧ и одним или несколькими АД.
Анализ известных защит от аварийных режимов в шахтной участковой сети c ЧРЭП показал: защиты от к.з., применяемые в шахтных участковых сетях с промышленной частотой, при включении их в сети с ЧРЭП либо не работоспособны (фазочувствительные, фильтротоковые), либо имеют крайне ограниченную зону действия (максимально-токовые защиты - МТЗ, реагирующие на производную тока к.з.); из известных принципов защиты от к.з. наиболее целесообразным методом защиты шахтных участковых сетей с ЧРЭП является дифференциальный принцип с контролем и сравнением параметров на выходе ПЧ (входе кабельной сети) и на зажимах АД (конце кабельной сети); наиболее распространённая защита от к.з. с дифференциальным принципом контроля по знаку
(направлениям) мгновенной электрической мощности на выходе ПЧ и на зажимах АД имеет следующие недостатки: не контролирует момент к.з. в режиме стопорения АД, часто встречающийся режим работы горных машин; не работоспособна для многодвигательного ЧРЭП и ЧРЭП с применением АИН с ШИМ. Кроме того для шахтной участковой сети с ПЧ, питающим несколько АД горной машины многодвигательный электропривод и АИН с формированием напряжения на выходе по методу ШИМ необходима разработка специальной защиты от к.з. в разветвлённой кабельной сети между ПЧ и АД.
На основании теоретических исследований, предложен дифференциальный принцип защиты от к. з. в участке сети между ПЧ и АД. Суть способа заключается в контроле мгновенных значений фазных токов на выходе ПЧ и входе АД. В соответствии с предложенным способом, в устройстве защиты от к. з. осуществляется сравнение мгновенных значений фазных токов на выходе ПЧ и входе АД, по которому выявляется режим к. з. в кабеле между ПЧ и АД и выявляется нормальный режим работы сети.
Была разработана селективная защита каждого из двигателей, при срабатывании которой отключается только тот ЭП, который работает в аварийном режиме, а другие ЭП работают в рабочем режиме. При аварии в сети до распределительного пункта (РП) отключается ПЧ. Структурная схема предложенного устройства селективной защиты участковой сети с частотно-регулируемым электроприводом (ЧРЭП) представлена на рис.1.
Структурная схема защиты включает блоки измерения токов БИТ; усилители У; блоки формирования сигнала отключения БФСО, выполненные на микроконтроллере; блоки телемеханики.
БИТ выполнен на датчиках Холла, которые измеряют мгновенные значения фазных токов и преобразуют их в напряжения. Усилители включают в себя аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) и сам усилитель сигнала.
Блок телемеханики включает узел передачи данных, линию связи и узел приёма данных. БФСО содержат по три канала, которые включают в себя устройства сравнения (УС) с АЦП на входе, выпрямители (В), фильтры (Ф), пороговые устройства (ПУ), логический элемент «ИЛИ» и усилитель мощности (УМ).
Основным требованием, предъявляемым к устройству защитного отключения, является время срабатывания защиты, которое не
должно превышать 0,2с. Исходя из этого, выбраны параметры узлов защиты.
В блоке измерения токов (БИТ) применены датчики Холла CSLA2N фирмы Honeywell со следующими основными особенностями:
- линеаризованное выходное напряжение
- биполярность
- минимальные потери энергии
- температурная стабилизация в диапазоне от -250 до 80 0С
Они позволяют измерять переменный ток от 0 до 950 А, что соответствует заданному диапазону (от 500 до 1000 А). При этом напряжение на их выходе изменяется по линейному закону от - ип до + ип, со скоростью обновления равной 6 мкс.
В устройстве сравнения применён сумматор на операционном усилителе с параметрами: ивых=10В, время срабатывания ^р=1 мкс.
В качестве выпрямителей применены двухполупериодные мостовые выпрямители со следующими параметрами: 1=10 мА, tq,= 1 мкс.
Фильтр - это инерционный элемент, от времени срабатывания которого зависит быстродействие всей защиты. Необходимо было выбрать фильтр, удовлетворяющий требованиям быстродействия защиты, и минимальным значениям пульсаций, исключающим ложные срабатывания защиты. Были рассмотрены две схемы: фильтра низких частот (ФНЧ) первого порядка на ОУ и фильтра низких частот второго порядка на ОУ. Работа данных фильтров была промоделирована с помощью программы ELECTRONICS W0RKBENCH-5.0. Из результатов моделирования видно, что время срабатывания ФНЧ второго порядка не соответствует требованиям. Меняя параметры данного фильтра, для уменьшения времени срабатывания, видно как сильно возрастают пульсации, следовательно, возрастает вероятность ложных срабатываний защиты. Иная картина наблюдается при анализе результатов работы ФНЧ первого порядка на ОУ. Подобрав соответствующие параметры фильтра, видно, что пульсации напряжения на выходе укладываются в установленные нормы (25% от номинального) и выходное напряжение при включении достаточно быстро достигает номинала
- 19,3 мс.
В качестве порогового устройства применён компаратор с параметрами: максимальное выходное напряжение Umax вых=±10В, 142
время срабатывания ^р=1мкс, а логический элемент «ИЛИ» выполнен на логике ТТЛ.
В качестве исполнительного органа применён оптосиммистр с развязкой со следующими параметрами: максимальный выходной ток: 1вых = 50 мА; максимальное выходное напряжение: ивых = 600 В; номинальный управляющий ток: 1упр = 5 мА; напряжение изоляции: иизол = 5000 ВАС; диапазон рабочих температур: -40...+80 °С.
Рассмотрим работу устройства защиты. Вначале датчиками Холла измеряются фазные токи на выходе ПЧ, непосредственно перед РП, непосредственно после РП и на входах АД, значения которых преобразуются в напряжения, зависящие линейно от величины измеряемого тока. Затем сигналы преобразуются в цифровую форму. Сигналы с входов АД и из точки, непосредственно перед РП через блок телемеханики передаются на устройства сравнения. Результаты сравнения поступают на выпрямители, а затем на фильтры. В результате анализа и в соответствии с предъявленными требованиями к фильтрам по пульсациям и времени срабатывания были использованы фильтр I порядка.
Затем сигналы поступают на пороговые устройства, где происходит их сравнение с уставкой. Далее, если в любом из каналов сигнал, поступивший на пороговое устройство, превышает уставку, то с логического элемента «ИЛИ» через усилитель мощности на исполнительный орган подаётся сигнал, отключающий сеть. При этом, если происходит авария в сети питания одного из АДп, то отключается исполнительный орган ИОп. Если авария происходит в кабельной сети между ПЧ и РП, то отключается исполнительный орган ИО1.
Для предложенной структурной схемы с учётом выбранных параметров защиты была составлена её математическая модель, с помощью которой исследованы аварийные режимы в системе. При моделировании получены зависимости времени срабатывания защиты при различных режимах работы многодвигательного ЧРЭП при двухфазном и трёхфазном коротких замыканиях в зависимости от величины опорного напряжения иоп.
Рис. 1. Структурная схема защиты ЧРЭП
В результате исследования двухфазного короткого замыкания установлено следующее:
- время срабатывания защиты уменьшается с ростом частоты ф и критическим значением по быстродействию является минимальная частота, равная 2 Гц;
- в двигательном режиме время срабатывания защиты, при минимальной частоте 2 Гц максимально и составило 105 мс при иоп=0,1 В и 90 мс при иоп=0,6 В;
- в режиме пуска время срабатывания защиты при частоте 2 Гц составило 50 мс при иоп = 0,1 В и 50 мс при иоп=0,6 В.
- в режиме стопорения время срабатывания защиты при частоте 2 Гц составило 29 мс и 30 мс соответственно для иоп, равного 0,6 В и 0,1 В;
- в режиме торможения время срабатывания защиты при частоте 2 Гц составило 65 мс и 55 мс;
- во всех режимах работы время срабатывания защиты меньше 200 мс и удовлетворяет предъявленным ОСТом требованиям к такого рода защитам.
Таким образом, по результатам моделирования устройство обеспечит 100% срабатывание при двухфазном коротком замыкании во всех режимах работы системы и в установленный промежуток времени отключит нагрузку, что позволяет избежать повреждения оборудования.
В результате исследования трёхфазного короткого замыкания установлено следующее:
- во всех режимах работы с ростом частоты f время срабатывания защиты уменьшается;
- в двигательном режиме время срабатывания защиты при минимальной частоте 2 Гц составило 58 мс и 70 мс соответственно для иоп равного 0,6 В и 0,1 В;
- в режиме пуска время срабатывания защиты при частоте 2 Гц составило 22 мс при любом иоп;
в режиме торможения время срабатывания защиты при 2 Гц составило 1,1 мс и 0,99 мс, соответственно для иоп равного 0,6 В и 0,1 В;
- в режиме стопорения время срабатывания защиты при частоте 2 Гц составило 1,45 мс при иоп равном 0,6 и 0,1 В;
- во всех режимах работы время срабатывания защиты меньше 200 мс и удовлетворяет предъявляемым требованиям.
Согласно результатам моделирования устройство обеспечит 100% срабатывание при трёхфазном коротком замыкании и в установленный промежуток времени отключит нагрузку.
Таким образом, в результате математического моделирования предложенного устройства защиты от аварийных режимов участковой сети установлена его работоспособность.
---------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Гимоян Г.Г. Электромагнитные переходные процессы в системах электроснабжения промышленных предприятий./ Гимоян Г.Г., Егиазарян Н.В., Саакян В.И. - Ереван, 2000.
2 Ковач К.П. Переходные процессы в машинах переменного тока./Ковач К.П., Рац И. - Л, ГЭИ, 1963.
3 Шпрехер Д.М. Разработка защиты от аварийных режимов шахтной участковой сети с переменной частотой напряжением до 1000 В./ Шпрехер Д.М. Кандидатская диссертация. М., МГТУ, 1995. Н5ГД=Д
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -------------------------------------------
Бабокин Г.И. — доктор технических наук, профессор, зам. директора, НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева), ргогеСог. паика@тгИі;и. ги,
Селин О.В. - вед. программист, НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева osel [email protected],
