You are currently viewing Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин

Процесс добычи угля подземным способом разработки сопровождается рисками, связанными с возможностью возникновения пожаров и взрывов из-за наличия в подземных выработках взрывоопасного метана. Воспламенение метана может произойти как следствие интенсивного выделения энергии при возникновении короткого замыкания (КЗ) в системе электроснабжения (СЭС) горных машин.

С целью выработки рекомендаций для построения минимально опасных СЭС и для снижения аварийности при добыче угля необходимо решение задачи моделирования динамических процессов в режимах КЗ в СЭС горных машин.

Так, в случае возникновения аварийного режима трехфазного КЗ, в каком-либо участке кабельной сети, СЭС изменяет свою структуру. Структура СЭС разбивается на две части — «до» точки КЗ (если считать от источника питания) и «после» точки КЗ. Так как режим трехфазного КЗ является симметричным, т.е. сумма токов в точке КЗ равна нулю, то системы «до» и «после» точки КЗ можно рассматривать от­ дельно.

Система, находящаяся «до» точки КЗ, после возникновения аварийного режима некоторое время до срабатывания защиты будет продолжать получать энергию от источника питания, а в системе «после» точки КЗ протекают процессы обмена энергией, запасенной емкостями электромеханических преобразователей и механическими передаточными устройствами горных машин, до момента возникновения режима КЗ.

После возникновения КЗ в участке СЭС, находящимся «до» точки КЗ, происходит изменение структуры и параметров системы. В системе уменьшается количество потребителей, так как часть двигателей «отсекается» точкой КЗ, и уменьшается общее сопротивление системы из-за появления точки КЗ в аварийном участке.

Аварийный участок системы представляет собой отрезок кабеля, который имеет некоторые активные и индуктивные сопротивления и жилы которого соединяются между собой в точке КЗ. С учетом того, что режим трехфазного КЗ является полностью симметричным, участок системы, где произошло трех­фазное КЗ, можно описать системой трех уравнений:

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 1

где

  • ΨКЗα, ΨКЗβ, ΨКЗɣ — потокосцепления участка аварийного кабеля;
  • uКЗα, uКЗβ, uКЗɣ — составляющие напряжений на узле, к которому подсоединен аварийный участок кабеля;
  • iКЗα, iКЗβ, iКЗɣ — составляющие тока КЗ;
  • rКЗα, rКЗβ, rКЗɣ — сопротивления фаз аварийного участка кабеля.

Структура уравнений (1) полностью аналогична уравнениям Парка-Горева, записанным в трехфазной системе координат, что позволяет использовать их вместе с уравнениями двигателей в модели СЭС произвольной конфигурации с электродвигательной нагрузкой, питающейся от источника ограниченной мощности:

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 2

где

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 3

векторы потокосцеплений статоров и роторов двигателей системы (1 — Векторы в тексте приведены в транспонированном виде, на что указывает индекс t)

потокосцепления статора и ротора i-ro АД, n — количество двигателей в СЭС

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 5
Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 6

токи в обмотках i-ro АД

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 7
Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 8

— диагональные матрицы активных сопротивлений обмоток статора и ротора заполненные (2 — Далее по тексту введено обозначение диагональных матриц в виде индекса d)

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 9

активные сопротивления обмоток статора и ротора i-го АД

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 10
  • pпi — количество пар полюсов
  • ωi — угловая скорость
Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 11
Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 12

матрица, обратная матрице

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 13
  • LMi — взаимоиндуктивность обмоток статора и ротора i-ro АД
  • Lsi, Lri, — индуктивности обмоток i-ro АД
Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 14

электромагнитные моменты

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 15

диагональная матрица, содержания транспонированные вектора токов статоров двигателей

  • E — единичная матрица, размером 3*n элементов
Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 16

активные сопротивления фаз i-го участка сети, т — количество участков в СЭС

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 17

индуктивности фаз i-го участка сети

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 18

размер вектора n элементов

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 19

потокосцепления первичной и вторичной обмоток трансформатора

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 20

напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 21

токи, протекающие через первичную обмотку трансформатора

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 22

размер матрицы n на n элементов

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 23

активные сопротивления обмоток трансформатора

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 24

матрица, обратная матрице

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 25
  • Lt1, Lt2 — индуктивности трансформатора,
  • LtM — взаимоиндуктивность трансформатора.

Ток для всех электродвигателей системы определяется связью:

В системе уравнений (1) матрицей S описывается структура СЭС, которая имеет т — строк, определяется количеством участков сети, и n столбцов — количеством двигателей в СЭС. Содержимое матрицы формируется по следующим правилам, если i-й двигатель получает питание через j-й участок сети, то элемент Sj,i будет содержать единичную подматрицу Е размером 3×3.

После возникновения КЗ структура системы, образовавшейся «до» точки КЗ, описывается, руководствуясь правилами для обычной системы произвольной конфигурации, но целью сохранения структуры уравнений для описания аварийного участка кабеля в матрице S выделяется дополнительный столбец и в схему вводится фиктивный кабель нулевой длины, который соединяет узел с аварийным участком.

Для определения характеристик процессов в системе «до» точки КЗ после возникновения аварийного режима КЗ используется система уравнений (1).

При этом, матрицы с параметрами системы изменяются следующим образом:

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 28

В матрицах последние элементы являются параметрами точки КЗ, где

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 29
Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 30
Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 31
  • Lк кз α, Lк кз β, Lк кз ɣ, — индуктивности фаз аварийного участка кабеля
  • rкз α, rкз β, rкз ɣ, — активные сопротивления фаз аварийного участка кабеля
Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 32

— в матрицах последние элементы принадлежат точке КЗ и равны нулю

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 33
Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 34

Где в матрицах последний элемент — ноль, так как используется фиктивный ка­ бель нулевой длины.

Ток с потокосцеплением в аварийном участке кабеля связан зависимостью:

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 35

При возникновении КЗ, в начальный момент времени, из-за наличия в системе индуктивностей, в цепях протекают токи, равные токам до момента возникновения. Отсюда, для начальных условий расчета характеристик процессов, протекающих в аварийном режиме в поврежденном участке кабеля, берем мгновенные значения токов, протекающих в последний момент времени до возникновения КЗ, которые определяются как сумма токов двигателей, которые питались через аварийный участок:

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 36

Для расчетов определяем начальные значения потокосцеплений в аварийном участке кабеле:

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 37

При возникновении трехфазного КЗ от общей СЭС точкой КЗ «отсекается» часть системы. Если эту часть рассматривать отдельно как самостоятельную систему, то ее структура аналогична СЭС произвольной конфигурации с электродвигательной нагрузкой, питающейся от источника неограниченной мощности, при условии, что напряжение на зажимах источника равно нулю. Отсюда, характеристики процессов, протекающих в системе, находящейся «после» точки КЗ, можно описать с помощью системы:

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 38

Структура системы «после» точки КЗ описывается стандартным образом.

Матрицы параметров системы уравнений (3) изменяются следующим образом:

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 39

На рисунке приведены результаты моделирования трехфазного КЗ в третьем участке СЭС с источником питания — трансформаторная подстанция ТСВП-1000/6/1,2, с потребителями — асинхронными электродвигатели ДКВ355ЕВ4 (МО, M1), ДКВ45 (М2, М3) и ABP280L4 (М4, М5). Результаты получены при помощи системы моделирования SMES (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2002610266. Система моделирования аварийных режимов в шахтных участковых сетях электроснабжения (Система моделирования SMES)), в которой реализована вышеописанная математическая модель, алгоритмы синтеза схем и моделирования процессов в СЭС до и после возникновения режима КЗ.

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 40
Рис. 1 - Токи в участках СЭС при возникновении трехфазного КЗ

Ниже приведена таблица значений установившихся и ударных токов КЗ, при возникновении трех­ фазного КЗ в различных участках СЭС, показанной на рисунке, в случаях минимального и максимального удаления точки КЗ от источника питания в пределах участка.

Снижение рисков возникновения короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин 41
Таблица 1 - Зависимость значений ударных токов КЗ при удалении точки КЗ

Из таблицы видны нелинейные зависимости значений ударных токов КЗ при удалении точки КЗ, что объясняется появлением в системе «до» точки КЗ новых электродвигателей, подпитывающих аварийный участок. Из таблицы можно выявить наиболее опасные участки системы, так для системы, приведенной на рисунке, наиболее опасными участками, с максимальным значением ударного тока КЗ, являются участки 2, 5, 10, 11.

Значения ударного тока КЗ зависят не только от параметров СЭС, но и от количества двигателей, подпитывающих точку КЗ, от их характеристик, в том числе и от характеристик нагрузки двигателей. Так, при одинаковых параметрах участков 8 и 9, в результате моделирования получены разные значения токов КЗ из-за наличия у двигателей, с одинаковыми характеристиками, разной нагрузки.

Таким образом, как видно из результатов, наиболее опасные участки СЭС можно выявить только при анализе динамических характеристик переходных процессов.

Источник: Снижение рисков короткого замыкания на этапе проектирования систем электроснабжения горных машин / А.Б. Смыков, И.А. Соколов // Вестник КузГТУ. – 2005. — №3. – С. 8-11

Добавить комментарий

Gekoms LLC

Коллектив экспертов большая часть опыта и знаний которых востребованы в области промышленной автоматизации, разработке технически сложного оборудования, программировании АСУТП, управлении электроприводом. Телефон: +7(812) 317-00-87 Email: info@gekoms.com Сайт: https://gekoms.org