Введение к работе
Актуальность проблемы: В горнодобывающей отрасли наблюдается непрерывный рост энергоемкости горных машин и комплексов и связанные с этим развитие и усложнение системы ялектроснабжения, рост рабочих над; дений. В свою очередь рост рабочих напряжений, а также увеличение количественных показателей распределительных сетей и оборудования приводят к росту интенсивности и вероятности повреждений в таких сетях, к ухудшению условий электробо-зопасности. По данным статистических исследований, наиболее распространенными в распределительных сетях напряжением б...35 кБ . горных предприятий являются несимметричные повреждения, которые составляют до 90$.всех аварийных, режимов» Несимметричные повреждения, к которым относятся однофазные и двойные замыкания на землю, а также замыкания на землю со стороны электроприемников обладают характерной особенностью, заключающейся в том, гго та- кие повреждении, как правило, не сопровождаются появлением аварийных токов опасных для электрооборудования и сетей, а представляют значительную опасность с точки зрения:поражения электрическим током обслуживающего персонала. Однако выполненные исследования показывают, что существующие средства защиты реагируют не на все виды несимметричных повреждений, допусгают отказы и ложные срабатывания иj соответственно, не отвечают требованиям предъявляемым к такого рода устройствам защиты. Хотя защиты от замыканий на землю и не предназначены для защиты человека, прикоснувшегося непосредственно к токоведущим частям, некачественная их работа косвенно приводит к ухудшению условий элок-тробезопасности за счет увеличении времени существования аварийного режима и дальнейшего развития аварии.
Несимметричные повреждения в сетях горных предприятий согласно отраслевых Правил безопасности и ПУЭ должны отключаться соответствующими устройствами защиты, некачественная работа которых (до 40...45$ ложных срабатываний) приводит к значительным неоправданным простоям горнободыващей. техники и к- ощутшюму ущербу. Рост ущерба обусловлен также отсутствием устройств автоматического повторного включения, к которым в сетях горных предприятий предъявляется требование опережающего контроля изоляции отключенного присоединения и которые позволяют исправлять продольную и поперечную неселективность действия средств защиты.
Отсутствие объективных для условий распределительных сетей горных предприятий средств определения мест повреждения приводит к увеличению (на 20...60%) времени простоя за счет времешшх затрат на поиск повреждения.
Снижение элоктротравматизма, улучшение условий электробе-зопаензети на горных предприятиях, повышение надежности электроснабжения зависят от успешного решения комплекса вопросов, среди которых важное место занимают вопроми создания высокочувствительных, с высокой функциональной надежностью устройств защиты от несимметричных повреждений, а также элективных средств системной автоматики и поиска мест повревдения.
3 диссертации решается имевцпя большое социальное и народнохозяйственное значение научная проблема, заключающаяся в разработке принципов выполнения и создании системы средств защити, автоматизации и поиска мест повреждения для электрических, сетей горних предприятий на основе установления законов изменения параметров нулевой последовательности и протекания процессов, при несимметричных повреждениях в распределительных сетях напряжением б...05 кВ с различными режимами нейтрали, что позволит обеспечить более высокий уровень электробезопасности и надежности систем электроснабжения.
Связь темы диссертации с государственными научными программами. Работа выполнялась в соответствии с программой работ по решению научно-технической проблемы 0,74.00 "Разработать и внедрить методы и средства, обеспечиващие дальнейшее повышение безопасности и оздоровление услорий труда в народном хозяйстве", утвержденной постановлением Президиума ВЦСПС, ГКНТ и Совета Министров.СССР на 1981-1985 гг. и на 1986-1990 гг. (задание 02.02).; в соответствии с Минвузовской целевой комплексной программой работ по решению научно-техническоР проблемы "Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических сетях" (приказ Минвуза СССР ДО 101 от У.02.87 г., этап 01); в соответствии с координационным планом научно-исследовательских работ АН УССР по комплексной проблеме "Научные основи электроэнергетики" на 1905-1990 гг. (этап І.У. 1.6).
Цель работы. Разработать систему средств, обеспечивающих . повышение уровня электробезопасности и надежности электроснабжения горных предприятий за счет расширения йуикниомальнък характеристик новых устройств зап;иты от несимметричных замыканий
системной автоматики и поиска повреждений.
Идея работы заключается в использовании законов изменения фазовых и амплитудных характеристик параметров чулевоР последовательности при несимметричных повреждениях в распределительных сетях горных предприятий для разработки новых принципа выполнения устройств защиты, системной автоматики и поиска повреждений и реализаи.ии их в функциональных и принципиальных схемах, формирующих более высокий уровень электробезопасности и надежности систем электроснабжения.
Основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.
На основании теоретических и экспериментальных исследований сформулированы следующие научные положения: .
-
Фазовые характеристик!' параметров нулевой последовательности при однофазных замыканиях на землю в сетях с изолированной нейтралью изменяются в пределах 90 по отношению к векторам на-пряжений сети; взаимные фазовые соотношения между напряжением и токами нулевой последовательности для реальных параметров изоляции сетей являются практически фиксированными и не зависят от переходного сопротивления в место повреждения.
-
В сетях с компенсированной нейтралью фазовые соотношения мекду напряжением и токами нулевой последовательности при однофазных замыканиях на землю в отличие от сетей с изолированной нсйтралъа не являются фиксированными и изменяются в диапазона 180 в зависимости от режима настройки компенсирующего устройства.
.3. Однофазные замыкания на землю со стороны электроприемника в распределительных сетях с изолированной и с компенсированной нейтралью по сравнению с классическим видом однофазного замыкания характеризуются, при прочих равных условиях, уменьшением действующих значений напряжения и токов нулевой последовательности практически.в два раза и изменением положения"eg. торов названных величии на угол 180 (опрокидывание векторов). 4. При двойных замыканиях на землю фазовые характеристики параметров нулевой последовательности определяются в основном значениями переходных сопротивлений в точках повреждения. Диапазон-изменения положения векторов напряжения и токов нулевой последовательности по. отношению к векторам напряжений сети по сравнении с однофазными замыканиями резко возрастает и составляет 210 в сетях с изолированной нейтралью и 300 j сетях с
4 компенсированной нейтралью; взаимное расположение векторов независимо от режима нейтрали .ети не является фиксированным и изменяется в диапазоне 180.
fa. Угол мезду вектором напряжения нулевой последовательности и вектором собственного тока неповрежденного присоединения не зависит от вида несимметричного повреждения, режима нейтрали распределі 'ельных сетей и переходных сопротивлений в точках за-мьш^ля. Для реальных параметров изолііции распределительных сетей горных предприятий составляет - 90.
*\ Режим работы нейтрали распределительных сетей, наличие и качественные характеристики средств защиты, системной автоматики и поиска мест повреждения в основном определяют электробе- зопасность и надежность с стем электроснабжения горных предприятий. Раці, .нальными^с точки зрения уменьшения количественных показателей повреждаемости сетей и оборудования, снижения вероятности появления наиболее опасных видов повреждений и улучшение работы средств защиты,являются сети с резистором в нейтрали при значении активной составляющей тока замыкания на землю на уровне 0,5 емкостной;
и по.у, чеиы научные результаты:
-
Установлены зависимо ти и характер изменения значений и фазы то-ов и напряжения нулевой последовательности при несимметричных повреждениях с учетом параметров изоляции, режима работы нейтрали распределительных сетей и переходных сопротивлений в местах повреждений.
-
Обоснована необходимость разработки и предложены новые помехозащищенные методы выполнения и схемы средств защиты от несимметричных повреждений распределительных сетей напряжением 6,..35 кВ с различными режимами работы нейтрали сети.
-
Разработан алгоритм и схама устройства автоматического . повторного включения с опережающим контролем изоляции для отхо-дящ:; от подстанции линий распределительных сетей горных предприятий, обеспечивающего заданный уровень электробезопасности
и позволяющего, повысить надежность систем электроснабжения за счет исправления продольной и поперечной неселективности средств защиты.
4. Разработаны методы и устройства для дистанционного по
иска мест повреждения.в неоднородных кабельных и воздушно-кабель
ных распределительных сетях карьеров и локального поиска мест
повреждения гибких и бронированных кабелей в услогиях взрыво-
5 "
опасных шахт.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается отбором значимых процессов; принятыми уровнями допущений при математическом описании явлений и представлении схем замещения реальных распределительны/ сетей,, обоснованностью исходных посылок, вытекающих из фундаментальных законов естественных наук и основ теории электрических цепей; удовлетворительным совпадением качественных характеристик результатов теоретических исследований с результатами экспериментов, выполненных в реальных сетях и на физической модели; достаточным объемом и результатами экспериментальных исследований.
Научная новизна работы заключается;
в дальнейшем развитии теории процессов при несимметричных повреждениях в распределитсльютс сетях напряжением б...35 кВ, выраженном в получении аналитических зависимостей для токов и напряяения нулевой последовательности, учитывающих режим работы нейтрали, комплексные параметры распределительных сетей и характер поврегзденил;
в установлении закономерностей и характера влияния параметров изоляции, рзжима нейтрали сети на действующие значения нзпрпяеііил и токов нулевой последовательности при различных видах несиметричних поврэядений;
в установлении закономерностей и пределов изменений ф~-зовых характеристик напряжения и токов нулевой последовательности в сетях с различными режимами нейтрали при всех возможных видах несиметричних повреждений;
з обосновании и разработке.принципов выполнения устройств защиты первой и второй ступени от несимметричных повреждений, обладавших высокой помехозащищенностью и .функциональной надежно-' стью, для распределительных сетей с изолированной и.компенсированной изйтрольп, а также для сетей с резистором в нейтрали;
в обосновании функциональных показателей и разработке алгоритма и структуры автоматического повторного включения с опарекавціїм контролем изоляции, обеспсчивагощоїю исправление продольной и поперечной носелективности средств защиты;
п новых принципах дистанционного определения расстояния до места повреждения для неоднородных линий электропередач и локального определения места повреждения для гибких и бронировании кабелей.
^ . .' .6'- ''.".;;:_.., Практическое значение выявленных амплитудных й'фазоБык характеристик параметров нулевой последовательности и особенностей протекания процессов в электрических сетях при несимметричных повреждениях заключается е обосновании направлений исследований по совершенствовании и созданию комплекса технических средств и орган«зационно-техн/ческих мероприятий: ['''..).
методики выбора параметров срабатывания средств защиты пэрво.. и второй ступени от несиммвтричііьос повреждений в распрэ-делительных сетях напряжением 6...35 кВ, работающих с различными режимами нейтрали;
рекомендаций, направленных на повышение функциональной на* дежности и в оценке работоспособности существующих средств защиты при различных видах несюметричньос повреждений в распределительных сетах с различным режимом нейтрали;
помехоустойчивых фазо-импульсных направленных устройств защиты от несимметрична поврендений и утечек в сетях с изолированной и компенсированной нейтралью, имеющих автоматическую отстройку от переходных процессов;
устройства второй ступени защиты от несимметричных повреждений, время срабатьгеания которой автоматически определяется значением напряжения прикосновеьіія в соответствии с нормируемыми значения и напряжения прикосновения и времени его воздействия;
устройства однократного автоматического повторного включения с опережающим контролем изоляции, обеспечивающим также контроль ЭДС выбега электродвигателей и подключения оперативного источника;
устройств дистанционного определения расстояния и локального поиска мест повреждения для карьерных и шахтных распределительных сетей;
рекомендаций по выбору рационального режима нейтрали распределительных сетей напряжением 6...35 кВ, позволяющего уменьшить повреждаемость сетей, улучшить качество работы средств защиты и повысить уровень электробезопасности эксплуатации электрических сетей горных предприятий;
рекомендаций, направленных на совершенствование структуры распределительных сетей горных предприятий и учитывающих наличие, размещение и виды средств релейной защиты и системной автоматики.
Реализация работы. Научные положения, выводы и рекомендации использоолны:
БНИИВТГ результаты исследований параметров нул^оГ последовательности в сетях горных предприятий при несимметричных повреждениях, а также рекомендации по рациональному выбор-' режима нейтрали сетей и по. обеспечению работоспособности существующих сред тв защиты от замыканий но землю, которые легли і зенову РТЧ "Методические указания по устройству и эксплуатации защиты от замыкании па землю в сетях 6...35 кВ на открытых горных работах" (Минчермет СССР, 1986 г.);
ИГД им. А.А.Скочинского рекомендации по вибору структури распределительных сетей м размещению средств защиты и автоматшш, сформированных на основании исследований влияния пара...зтров распределительных сетей и режимов нейтрали на характеристики напряжения и токої' нулевой последовательности при разработке РТМ "Электроснабжение угольных шахт с обособленным пит«нием подземных электроприемников" (Мпнуглепром СССР, РТМ 12.25.002-84);
1Ш0 "Днепрочерметавтоматика" по'нч^иональная и принципиальная схемы при разработке проектно-конструкторской документации, испытаниях н освоению производства устройства автоматического повторного включения для карьерных "иний с опережающим контролем изоляции (мелкосерийное производство начато с 1989 г. опытным заведем НПО "Днепрочериетавтоматика");
НПО "Днепрочерметавтоматина" 'функциональная и принципиальная схемы при разработке проектно-конструкторской документации на устройство направленной (разо-импульсной защиты от несим-петричннх повреждений для карьерных распределительных сетей нп-гтрлжением 6..,25 кВ;
"і СІС6 Днепропетровского завода шахтной автоматики принцип пополнения, функциоиачьная и принципиальная схемы при разработке конструкторской документації»; но устройство определения поиска места поврсядения кабельных линий;
.?исргослуткбами Орддоникидэевского и Полтавского горнссбо-гатительных комбинатов рекомендации по рациональному режиму не"-трали карьерных сетей а по улучшению работоспособности средств защиты, а такие экспериментальные образцы устройств MB с опережающим контролем изоляции и устройство дистанционного определения места повреждения карьерных линий электропередачи;
институтом "Юягипроруда" (г.Харьков) п проектне:! ітракті ко показатели надежности основных элементов сястеп олектроснаб-яения марганцевых карьеров, а тгюке рек.'.-'ендацни по совершенствованию существутзщич средств защиты, построению структур.; и г.о
рациональному режиму нейтрали электрических сетей напряжением 6...35 кВ;
- Днепропетровским горным институтом теоретические и практические результаты работы в разделах при чтении соответствующих курсор лекций для специальностей 10.04.01, 21.05.04 и 09.0b и при подготовке рукогг :и учебника для ВУЗов "Электрификация горных ра'іот" для специальности 10.04.04 (издание 1991 - ).
Апробация работь'. Основные материалы и результаты диссертационной работы доісладьтались и получили одобрение на Республиканской научно-технической конференции "Электробе^япасность на предприятиях черной металлургии" (Днепропетровск, 1972 г.), I, П, Ш Всесоюзных научно-технических конференциях "Электробезопасность на'горнорудных предприятиях черной металл ;>ргии СССР" (Днепропетровск, 1976, 1979, 1982 гг.); научно-технической конференции "Компенсация токов однофазного замыкания на землю в электрических сетях напряжением Є ..35 кВ (Челябинск, 1930 г.); научно-технической конференции "Швышение эффективности электроснабжения горных и металлургических предприятий" (Челябинск, 1933 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Обеспечение злектро-безопаеності. на производстве" (Севастополь, 1983 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Надежность и безопасность электросетей в сельском хозяйстве и промышленности" (Севастополь, 1984 г.); Всесоюзных научно-технических конференциях "Надежность и безопасность электросетей и экономия электроэнергии в сельском хозяйстве и промышленности" (Севастополь, 1986, 1988 гг.); межотраслевом научно-техническом совещании "Режимы нейтрали судовых электроэнергетических систем б кВ и защита от однофазных замыканий на корпус" (Ленинград, 1989 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 научных ^абот, в том числе 2 монографии, учебник для ВУЗов и 7 авторских свидетельств на изобретения и положительных решений.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, изложенных на 288 страницах машинописного текста, содержит 116 рисунков и 12 таблиц, библиографический список из 180 наименований и приложений, изложенных на 148 страницах.
