Управляемая коммутация трансформатора подстанции как фактор, эффективности эксплуатации электротехнического комплекса участка шахты

О. К. Маренич, И. В. Ковалёва







УПРАВЛЯЕМАЯ КОММУТАЦИЯ ТРАНСФОРМАТОРА ПОДСТАНЦИИ КАК ФАКТОР ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА УЧАСТКА ШАХТЫ



Монография








Посвящается 100-летию со дня основания Донецкого национального технического университета
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 004.5:622.25:621.3
ББК 34.7+31.261.8
      М25

           Рекомендовано к печати учёным советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» (протокол № 2 от 26.06.2020 г.)



Рецензенты:
д. т. н., директор Государственного учреждения «Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности» (МакНИИ) (г. Макеевка) Брюханов А. М.;
д. т. н., профессор, заведующий кафедрой прикладной математики ГОУ ВПО «ДонНТУ» (г. Донецк) Павлыш В. Н.;
д. т. н., профессор, ректор ГБОУВО «Донецкий
институт железнодорожного транспорта» (г. Донецк) Чепцов М. Н.

     Маренич, О. К.
М25        Управляемая коммутация трансформатора подстанции как фактор
      эффективности эксплуатации электротехнического комплекса участка шахты : монография / О. К. Маренич, И. В. Ковалёва. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 120 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1434-0

      Рассмотрены актуальные вопросы повышения эффективности эксплуатации шахтных участковых электротехнических комплексов на основе научного обоснования и практической реализации методов, алгоритмов и структуры технических устройств управления коммутационными процессами в силовой цепи трансформатора комплектной подстанции участка шахты при отключении коротких замыканий и стабилизации напряжения питания потребителя в сети, создающей значительные по величине потери напряжения.
      Для специалистов в области разработки и эксплуатации электрооборудования и средств автоматизации угольных шахт, студентов и аспирантов профильных специальностей и направлений подготовки.

УДК 004.5:622.25:621.3
ББК 34.7+31.261.8











ISBN 978-5-9729-1434-0

     © Маренич О. К., Ковалёва И. В., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ....................................................5
1. ФАКТОРЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА УЧАСТКА ШАХТЫ.
АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР.........................................6
  1.1. Электротехнический комплекс участка шахты: структура, функции, особенности эксплуатации..................................6
  1.2. Коммутационный процесс отключения короткого замыкания как фактор воздействия на ресурс автоматического выключателя.14
  1.3. Устройства токоограничения как средства создания благоприятных условий отключения короткого замыкания...................22
  1.4. Анализ неблагоприятных условий электропитания удалённого электропотребителя с асинхронным двигателем высокой мощности .... 28
  1.5. Технические возможности устройств регулируемой коммутации силовых электрических присоединений...........31
2. КОММУТАЦИОННОЕ ПЛАЗМООБРАЗОВАНИЕ
КАК ПРОЦЕСС МЕТАЛЛИЗАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ АВТОМАТИЧЕСКОГО ВЫКЛЮЧАТЕЛЯ................................39
  2.1. Методы моделирования дугового разряда при коммутации сильноточной электрической цепи.......................39
  2.2. Коммутационное дугообразование в сильноточной электрической цепи как фактор плазменной металлизации внутренних поверхностей корпуса автоматического выключателя......................44
  2.3. Энергетические показатели коммутационного дугообразования в автоматическом выключателе в функциональной связи
  с геометрическими и тепловыми параметрами плазмы.........49
  2.4. Приемлемое техническое решение в области ограничения энергетических параметров коммутационного дугообразования при отключении тока короткого замыкания..................55
3. ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ В ОБЛАСТИ УПРАВЛЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ ВЕЛИЧИНЫ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЯ В СЕТИ С ВЫСОКИМ УРОВНЕМ ПОТЕРЬ НАПРЯЖЕНИЯ.................................................60

3

  3.1. Условия использования коммутатора обмоток трансформатора подстанции в качестве исполнительного устройства стабилизации напряжения питания удалённого электропотребителя......60
  3.2. Алгоритмы автоматического управления коммутационными процессами в системе электроснабжения участка шахты...69
4. ПОСТАНОВКА И АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПРИ УПРАВЛЕНИИ КОММУТАЦИОННЫМ ПРОЦЕССОМ В ЦЕПИ ПИТАНИЯ СИЛОВОГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ...........................................75
  4.1. Структура стенда и методика экспериментального исследования процессов ограничения энергетических параметров коммутационного

  дугообразования при отключении короткого замыкания...75
  4.2. Анализ результатов экспериментов по п. 4.1......79
  4.3. Процесс корректировки величины выходного напряжения трансформатора техническими средствами на основе схемы коммутационного устройства ускорения отключения
  короткого замыкания...................................86
5. СХЕМНЫЕ РЕШЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОЙ КОММУТАЦИИ ОБМОТОК
ТРАНСФОРМАТОРА ПОДСТАНЦИИ УЧАСТКА ШАХТЫ.................93
  5.1. Условие применения плавкого предохранителя как функционального узла коммутационного устройства ускорения отключения короткого замыкания............................................93
  5.2. Устройство управления коммутационным процессом в цепи отключения короткого замыкания на выходе трансформаторной подстанции...........................................96
  5.3. Устройство управления скважностью коммутации вторичной обмотки трансформатора участковой подстанции........102
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................106
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ.....................................107
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................108
Приложение А. Время-токовые характеристики предохранителей серии ПП57 на номинальное напряжение 660 В..................118

4

ВВЕДЕНИЕ


     Тенденция к повышению мощности установок угольных шахт обусловливает применение электросетей более высокого уровня номинального линейного напряжения (1140 В) и увеличение мощности междуфазного короткого замыкания (к. з.). Применяемые низковольтные автоматические выключатели серии 37ХХ зарекомендовали себя как эффективные коммутационные устройства в сети линейного напряжения 660 В. Однако выявлена повторяющаяся повреждаемость этих аппаратов в сети напряжения 1140 В при отключении междуфазных к. з., что обусловливает актуальность применения дополнительных устройств ограничения энергетических параметров процесса защитного отключения.
     Повышение мощности установок участка шахты позволило увеличить протяжённость очистных забоев и применять асинхронные двигатели высокой мощности на значительном удалении от трансформаторных подстанций. Возникающие значительные потери напряжения в сети питания этих двигателей создают неблагоприятные условия их эксплуатации, вызывающие работу при сниженных величинах максимальных электромагнитных моментов этих электрических машин.
     В связи с этим, актуальна задача автоматической стабилизации напряжения питания удалённого асинхронного двигателя высокой мощности, которая может быть решена путём управления коммутационным процессом в структуре трансформаторной подстанции технологического участка шахты.
     В монографии представлены обобщённые результаты диссертационного исследования О. К. Маренич (научный руководитель - кандидат технических наук И. В. Ковалёва) [1], в котором дано решение актуальной научнотехнической задачи повышения эффективности эксплуатации шахтных участковых электротехнических комплексов на основе научного обоснования и практической реализации методов, алгоритмов и структуры технических устройств управления коммутационными процессами в силовой цепи трансформатора комплектной подстанции участка шахты при отключении коротких замыканий и стабилизации напряжения питания потребителя в сети, создающей значительные по величине потери напряжения.

5

1.   ФАКТОРЫ ОГРАНИЧЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА УЧАСТКА ШАХТЫ. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР


1.1. Электротехнический комплекс участка шахты: структура, функции, особенности эксплуатации
     Производство по добыче угля - это комплекс взаимосвязанных технологических процессов, каждый из которых реализуется совокупностью специализированных электромеханических установок, а очистной технологический участок представляет собой типичную для горного предприятия компоновку электромеханического оборудования. Специфика системы электроснабжения шахтного очистного участка, коммутационные, рабочие и аварийные процессы в ней в основном являются схожими для электротехнических комплексов (ЭТК) различных по назначению технологических участков горного предприятия [2]. Указанные особенности определяют функции, структуру схемы электротехнического комплекса (рис. 1.1), в частности, электрогенерирующую функцию, которую выполняет трансформаторная подстанция (ТП), включая перспективные образцы (рис. 1.2), преобразующая напряжение 6 кВ в напряжение UH, соответствующее номинальному значению для электропотребителей (660 В, либо 1140 В) [3-4]; коммутационную функцию (магнитные пускатели (МП), автоматические выключатели (АВ), в т. ч. автоматический выключатель в составе трансформаторной подстанции), агрегаты пусковые (АП) электропитания потребителей напряжения 127 В; пуско-регулирующую функцию по параметру скорости электроприводов (реализуется тиристорными регуляторами напряжения (ТРН), либо полупроводниковыми преобразователями (ПЧ) частоты); распределительную функцию между ТП и АВ и между МП и асинхронными двигателями (АД) потребителей (реализуется, соответственно, магистральным (МК) и гибкими (ГК) кабелями [4-7]. Такое компоновочное решение и функциональные взаимосвязи присущи как существующим схемам электротехнических комплексов участков шахт, так и перспективным разработкам, включая зарубежные [8-12].
     Силовые коммутационные аппараты шахтного участкового ЭТК могут быть разделены на три группы в соответствии с функциями:


6

     -      дистанционное включение и отключение асинхронных двигателей потребителей осуществляется магнитными пускателями, основной функциональный элемент которых - контактор с воздушным или вакуумным дугогашением;
     -      дистанционное включение, отключение и управление скоростным режимом асинхронного электропривода горной машины. Здесь применяются установки плавного пуска (устройства «soft-start» и т. п. на основе силовых тиристорных регуляторов напряжения (фазовое регулирование, разомкнутые либо замкнутые по параметру скорости системы автоматического управления) [13], а также системы глубокого регулирования скоростного режима асинхронного двигателя «преобразователь частоты -двигатель» (реализация функции широтно-импульсной модуляции выходного напряжения преобразователя частоты) [14, 15];
     -      подача, снятие напряжения на группу потребителей вручную и автоматическое отключение напряжения от группы потребителей осуществляется автоматическими выключателями, входящими в состав распределительного устройства низкого напряжения участковой трансформаторной подстанции, а также применяющимися на входе магистрали подключения пускателей (рис. 1.1).


Рисунок 1.1 - Типовая структура электротехнического комплекса технологического участка шахты

     Вариантом компоновки силовых коммутационных аппаратов является станция управления (рис. 1.3) [4, 16], где групповой автоматический

7

выключатель и пускатели объединены в один функциональный узел. Выходы пускателей либо контакторов станции управления соединены со статорами асинхронных двигателей потребителей разветвлённой сетью гибких кабелей, представляющих радиальную схему.
     Подобная компоновка общепринята, при этом повсеместно наблюдается устойчивая тенденция повышения мощности технологических установок шахт [17, 18]. Применение электромеханического оборудования высокой мощности, в т. ч. на значительном удалении от трансформаторной подстанции и необходимость ограничения допустимых потерь напряжения в трансформаторной подстанции и электросети, не превышающих 10 % от номинального значения, обусловливают целесообразность перевода шахтных участковых электросетей на более высокий уровень линейного напряжения (1140 В).
     Нестационарность технологического оборудования участка шахты предопределяет необходимость применения гибких экранированных кабелей (ГК) специального назначения (рис. 1.4) для передачи электроэнергии от МП к АД потребителей [19, 20]. Энергопередача от трансформаторной подстанции к групповому автоматическому выключателю участка осуществляется полугибким кабелем.
     Эти электрические кабели являются самым механически незащищённым элементом структуры ЭТК. В то же время они эксплуатируются в экстремальных условиях, характеризуемых стеснённостью, высокой вероятностью механического разрывного воздействия от перемещаемого оборудования, падения породы, наличием влажной проводящей (щёлочесодержащей), а также электропроводящей пыльной (угольная пыль) окружающей среды [21]. Эти обстоятельства определяют высокий процент повреждений кабелей участка. Статистика аварий [22] свидетельствует, что причиной воспламенений более 40 % гибких кабелей в шахтах являются междуфазные к. з. их силовых жил.
     Следствием внешнего механического повреждения защитной шланговой оболочки и изоляции кабеля является замыкание жил на землю или между собой. Такие состояния возникают и в случае внешнего сдавливания кабеля. К последствиям подобных повреждений следует отнести пожар, либо взрыв метано-воздушной смеси (вследствие междуфазных к. з.), а также опасность электропоражения человека (при повреждении изоляции силовой жилы кабеля).

8

Рисунок 1.2 - Блочно-принципиальная электрическая схема шахтной ТП типа ТВПШ-630/6-0.69/1.2:
UI. VI. Wl. U2. V2. W2 - клеммы входного и выходного напряжений; QS - высоковольтный разъединитель; QF - автоматический выключатель; ДТ1-ДТ5 - датчики тока; Т1 - силовой трансформатор; Т2 - трансформатор питания схемы; БЗ-2 - блок защиты выходных цепей напряжения 36 В; БДУ - блок дистанционного управления; АЗУР.4МК - аппарат защиты от токов утечки на землю;
FU1 - предохранитель; R1-R3 - ограничители перенапряжений; R4 - фильтр присоединительный контроля изоляции цепи; R5 - датчик температуры; VT1 - датчик световых явлений; SB1-SB5 - кнопки управления; АГЗ - контакт устройства автоматической газовой защиты

Рисунок 1.3- Структурная схема станции управления СУВ-ХХХ:
БП - блок питания; БКИ - блок контроля изоляции; БДУ - блок дистанционного управления; БТЗ - блок токовой защиты; ДТ1-ДТЗ - датчики тока; QS - разъединитель; QF - автоматический выключатель; FA1 - расцепитель максимального тока; FV - нулевой расцепитель; YAT - независимый расцепитель; К1-К7 - контакторы присоединений

Рисунок 1.4 - Устройство гибкого шахтного кабеля марки КГЭШ: 1 - силовая жила;
        2  - резиновая изоляция;
    3  - экран из проводящей резины;
        4  - сигнальная жила;
        5  - заземляющая жила;
             6  - оболочка



     Учитывая опасные условия эксплуатации шахтной участковой электрической сети, её силовая коммутационная аппаратура оснащена защитами, многие из которых дублируются. В частности, речь идёт о следующем.
     Трансформаторная подстанция комплектуется автоматическим выключателем (АВ) типажного ряда А37ХХ, аппаратом защиты от утечек (АЗУ) тока на землю, устройством максимальной токовой защиты (МТЗ) с регулируемой уставкой срабатывания. Отключение отходящей от подстанции электрической сети в случае к. з. в ней осуществляет АВ при срабатывании собственных расцепителей максимального тока (FA1-FA3), либо по команде МТЗ, воздействующей на его нулевой (FV), либо независимый (YAT) расцепитель (рис. 1.5).
     Специфика к. з. в электрической сети участка шахты состоит в проявлении обратных энергетических потоков асинхронных двигателей потребителей, которые подпитывают точку повреждения кабеля после защитного отключения на интервале своего существования (рис. 1.6) [23]. Однако, несмотря на наличие встречно направленных энергетических потоков, защитная функция, реализуемая в настоящее время, состоит в отделении от электросети участка только энергетического потока, формируемого трансформаторной подстанцией. В случае возникновения междуфаз-ного к. з. в отходящем присоединении основными исполнительными элементами защитного отключения будут выступать автоматический выключатель распределительного устройства низкого напряжения подстанции и групповой автоматический выключатель (на входе распредпункта участка). При этом в отношении первого из них токоограничивающую функцию будут составлять только активные и индуктивные сопротивления вторичной обмотки трансформатора подстанции.

11

Рисунок 1.5 - Схема подключения функциональных узлов контроля и защит к функциональным узлам автоматического выключателя