[
На правах рукописи
СОЛОВЬЕВ ДЕНИС БОРИСОВИЧ
ПРИМЕНЕНИЕ ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩИХ ИНДУКЦИОННЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ТОКА В ЗАЩИТЕ ГОРНОГО
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ОТ ТОКОВ ОБРАТНОЙ
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ
Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владивосток 2011
Работа выполнена в ГОУ ВПО «Дальневосточный государственный технический университет (ДВПИ им. В. В. Куйбышева)»
Научный руководитель – заслуженный энергетик РФ, доктор технических наук, профессор Г. Е. Кувшинов
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Н.В. Киншт кандидат технических наук, доцент Н.Н. Мазалва
Ведущая организация: ГОУ ВПО Амурский государственный университет, г. Благовещенск
Защита состоится «16» марта 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета К 212.055.03 при Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690600, Владивосток, Аксаковский переулок, 3, ауд. Б-107.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Дальневосточного государственного технического университета.
Автореферат разослан « » февраля 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Ю.М. Горбенко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Многие отрасли промышленности, такие как чрная и цветная металлургия, энергетика, перерабатывающий и строительный сектор, в той или иной мере, зависят от положения дел в сфере добычи полезных ископаемых. За последнее десятилетие горнодобывающая промышленность России стала одним из наиболее динамично развивающихся секторов экономики. Сохранение, а тем более увеличение инвестиционной привлекательности добывающей отрасли, невозможно без развития е материально-технической базы, снижения производственных издержек и применения современных решений в области автоматизации и контроля систем управления электротехническими комплексами.
На сегодняшний день на большинстве предприятий добывающего сектора наблюдается значительный рост отказов оборудования и механизмов, задействованных на добыче и транспортировании полезных ископаемых. Более половины из общего числа отказов связаны с повреждением электрооборудования горных машин, выходом из строя электродвигателей, систем управления главными приводами и т.д. Выход из строя любого из электродвигателей вспомогательных приводов приводит к остановке всего комплекса. Такое резкое увеличение потока отказов обуславливается значительным износом всех типов карьерных, шагающих и роторных экскаваторов, средний срок службы которых превышает в 1,5–2 раза нормативные сроки эксплуатации. Отличительной чертой отрасли является большая капиталомкость проводимых модернизаций, что значительно увеличивает время замены выработавшего свой ресурс оборудования на новое, которое в кризисном состоянии экономики рассчитано на 10– лет. А это означает, что и в ближайшие десятилетия горнодобывающим предприятиям придтся поддерживать в работоспособном состоянии изношенный парк добычных машин, что делает актуальной проблему повышения эффективности использования электрооборудования технологических комплексов, применяемых на открытых горных работах.
На сегодняшний день электродвигатели снабжены общепромышленными видами защит от перегрузки, коротких замыканий, однофазных замыканий, которые не способны реагировать в ряде случаев на несимметричные (в частности, на неполнофазные) режимы работы.
Промышленностью выпускаются защитные устройства от несимметричных режимов работы, выполненные на базе пассивных и активных элементов.
Однако их установка регламентирована лишь в порядке исключении: для асинхронных двигателей (АД), защищенных предохранителями и не имеющих защиты от перегрузки, если двухфазный режим ведт к выходу АД из строя с особо тяжлыми последствиями. Одним из основных элементов защитного устройства от неполнофазных режимов работы является чувствительный элемент – фильтр напряжения или тока обратной последовательности. Схемы защиты с применением этих фильтров, по сравнению с простыми токовыми защитами, имеют то преимущество, что они реагируют не только на количественные, но и на качественные изменения электрических параметров защищаемой установки.
Однако необходимость измерения токов у каждого АД технологического комплекса сводит на нет использование таких защит. Препятствием расширенного применения защиты с использованием фильтров тока являются существенные недостатки трансформаторов тока (ТТ) – высокие значения массы, размеров и стоимости этих измерительных преобразователей тока (ИПТ).
Таким образом, имеется необходимость в создании комплексных, многофункциональных защит и диагностических систем, одним из основных элементов которых являются ИПТ, свободные от указанных недостатков ТТ.
Целью диссертационной работы является разработка и исследование таких ИПТ, входящих в устройства релейной защиты электроустановок горных предприятий, в частности защиты от неполнофазных режимов работы, которые путм замены ТТ на дифференцирующие индукционные преобразователи тока (ДИПТ) обеспечивают повышение точности и снижение массогабаритных показателей этих устройств.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Исследование характерных режимов работы основных электропримников, используемых при добыче полезных ископаемых открытым способом.
2. Сравнительный анализ ИПТ трансформаторного типа с целью выявления возможности и целесообразности замены ТТ на ДИПТ в электрических сетях горнодобывающих предприятий.
3. Синтез пяти- и двухэлементных фильтров напряжения обратной последовательности (ФНОП), входящих наряду с ДИПТ в состав измерительных преобразователей тока обратной последовательности (ИПТОП).
4. Обоснование выбора таких параметров элементов, входящих в состав ИПТОП, при которых обеспечивается минимум суммы их расчтных мощностей. Создание методики расчта ИПТОП, выполненных на основе ДИПТ.
5. Исследование тех переходных процессов в ФНОП, входящих в состав ИПТОП и подключнных как к ТТ, так и к ДИПТ, которые происходят при включении нагрузки на источник напряжения и при обрыве одной фазы питающей линии.
Анализ результатов компьютерного моделирования переходных процессов, возникающих в асинхронном электроприводе насоса при подключении асинхронного двигателя (АД) к сети и при переходе его к неполнофазному режиму питания.
6. Разработка методики расчта параметров катушек ДИПТ, которые предназначены для подключения к защите электрических комплексов, работающих при напряжении 6–35 кВ.
Объектом исследований является система защиты электротехнических комплексов на открытых горных работах. Предметом исследований – эффективность новых разновидностей этой системы при широком использовании в ней дифференцирующих индукционных преобразователей тока.
Методы исследований. При решении поставленных задач использованы положения теоретической электротехники, в частности топологических методов анализа электрических цепей, электрических машин, автоматики электроэнергетических систем, методы численного анализа и математической обработки результатов, а также математического моделирования с применением программ Maple 12 и Simulink пакета MATLAB.
Достоверность полученных научных результатов подтверждается строгим обоснованием расчетных методик и принимаемых допущений, корректным применением современных методов научных исследований, а также подтверждается близостью теоретических результатов с данными, полученными при использовании средств для моделирования и анализа динамических систем.
Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:
1. Выполнен синтез и анализ нескольких вариантов ИПТОП (для трх- и четырхпроводных линий передачи, с одинаковыми и различными ДИПТ). При этом новая структура ФНОП и новые соотношения между параметрами элементов, входящих в состав ИПТОП, найдены с учтом внутренних сопротивлений ДИПТ как источников, ЭДС которых пропорциональны не измеряемым токам, а их производным. В частности, для ИПТОП с одинаковыми ДИПТ в состав ФНОП вошли не четыре, как у ранее известных ФНОП, а пять элементов.
2. Для каждого элемента ИПТОП найдены значения тока, напряжения и расчтной мощности, в каждом из различных установившихся режимов защищаемого устройства: токи нагрузки образуют только прямую последовательность или один, любой, провод питающей линии оборван. И для каждого элемента определн режим, в котором его расчтная мощность максимальна.
3. Разработана методика выбора параметров ИПТОП, согласно которой выбираются такие параметры ИПТОП, при которых достигается минимум суммы указанных в предыдущем пункте максимальных мощностей элементов ИПТОП.
4. Исследованы переходные процессы, возникающие в ИПТОП при подключении связанной с ним активно-индуктивной нагрузки к сети с напряжениями, образующими только прямую последовательность, и в случаях, когда один, любой, провод питающей линии оборван. Для каждого такого режима выполнена оценка максимума и продолжительности отклонения выходного напряжения ИПТОП от его напряжения, которое имеет место после окончания переходных процессов в нагрузке и в ФНОП. Установлено, что полученные оценки близки к тем, что найдены при компьютерном моделировании переходных процессов, возникающих в асинхронном электроприводе при подключении АД к сети и при переходе его к неполнофазному режиму питания.
5. Разработана методика выбора параметров катушки ДИПТ, которая охватывает проходной изолятор и предназначена для сетей с напряжением 6–35 кВ. Эта методика обеспечивает минимизацию массы, индуктивности и активного сопротивления проектируемой катушки.
Практическая ценность работы состоит в решении важной прикладной задачи, связанной с увеличением наджности и эффективности работы асинхронных электроприводов технологических комплексов, используемых для добычи полезных ископаемых открытым способом, с исключением повреждений АД этих комплексов от работы в неполнофазных режимах питания.
Предлагаемые миниатюрные ДИПТ, в отличие от громоздких ТТ, можно устанавливать в сочетании с разработанными малогабаритными ФНОП, как в новых, так и в давно находящихся в эксплуатации технологических комплексах. Релейная защита, основанная на применении образуемых указанным сочетанием новых ИПТОП, превосходит аналогичную защиту, выполненную на базе ТТ, не только по массогабаритным показателям, но также по чувствительности и быстродействию.
Положения, выносимые на защиту:
1. Принципиальные схемы и принцип действия ИПТОП для трх- и четырхпроводных линий передачи, с одинаковыми и различными ДИПТ.
2. Методика расчта параметров ИПТОП, выполненных на базе ДИПТ и предназначенных для подключения к входам электромеханических или/и микропроцессорных реле.
3. Результаты исследования переходных процессов, возникающих в ИПТОП при подключении связанной с ним активно-индуктивной нагрузки или АД к сети с напряжениями, образующими только прямую последовательность, и в случаях, когда один провод питающей линии оборван или обрывается во время работы АД.
4. Методика расчта параметров катушек ДИПТ для использования в электрических сетях с напряжением от 6 до 35 кВ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на восьмой международной ежегодной конференции и выставке «Russia Power 2010», Москва;
международном научном симпозиуме «Неделя горняка-2007», Москва;
Всероссийском конкурсе научно-исследовательских работ аспирантов и молодых учных в области энергосбережения в промышленности «ЭврикаНовочеркасск;
Всероссийском смотре-конкурсе инновационных идей в области энергосбережения и энергоэффективности «Flylab», Санкт-Петербург, 2009;
пятой Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов», г. Благовещенск, 2008;
на полуфинале конкурса инновационных проектов «Зворыкинская премия», Москва, 2010;
на региональных научных конференциях «Молодежь и научнотехнический прогресс», 2006–2008 гг., а также на научно-технических конференциях ДВГТУ «Вологдинские чтения», 2004–2010 гг., г. Владивосток.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 38 печатных работах (основные из них приведены в списке публикаций), в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК, – 14 и одном патенте.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, включающего 149 наименований, и четырх приложений. Работа изложена на 212 страницах, содержит 51 рисунок и 10 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении раскрыта актуальность темы, сформулированы цели исследования, представлены основные положения, выносимые на защиту диссертации, а также данные о практической ценности и научной новизне работы.
В первой главе рассматриваются особенности эксплуатации электрифицированных технологических комплексов на горнодобывающих предприятиях, ведущих добычу полезного ископаемого открытым способом в условиях Приморского края.
Анализируются данные, полученные в результате внедрения автоматизированной системы учта электрической энергии на угольном разрезе. Приводятся графики потребления активной и потребления/генерации реактивной энергии основных крупнейших энергопримников разреза. На основании полученных экспериментальных данных делаются выводы о современном состоянии потребления энергии на угольном карьере. Отмечается, что основной особенностью распределительных сетей на открытых горных работах является то, что от одной, идущей от стационарной бортовой подстанции, магистральной линии наиболее часто получают питание один–три экскаватора и один–четыре буровых станка. Буровые станки представляют собой активно-индуктивную нагрузку (являются потребителями реактивной мощности). При этом потребляемая станком реактивная мощность может изменяться в широких пределах. А генерируемая синхронным двигателем экскаватора реактивная мощность, обусловленная номинальным током возбуждения, практически всегда превышает потребное количество, что приводит к е перетокам в энергосистеме с соответствующей платой за выдаваемую мощность и энергию.
Проведенный анализ причин выхода из строя АД, используемых в условиях предприятий, производящих добычу и переработку полезных ископаемых, и собранные, на основе литературных источников и сведений автора, статистические данные о количественных соотношениях между причинами выхода из строя электродвигателей в условиях горнодобывающих предприятий Дальнего Востока РФ показали следующее. Основными причинами выхода из строя электрооборудования являются неполнофазные режимы работы электроприводов на горнодобывающих предприятиях. Эти режимы при прочих равных условиях, по ряду причин, протекают значительно тяжелее, чем у двигателей общего назначения.
Показано, что в измерительных частях релейных защитных устройств от ненормальных режимов работы целесообразно использовать фильтры симметричных составляющих. Отмечено, что для релейных защитных устройств, используемых в горнодобывающей промышленности, наибольшие распространение получили фильтры напряжения обратной последовательности и фильтры тока нулевой последовательности.
Делается основной вывод, что кардинальному решению задач, направленных на повышение эффективности использования электроэнергии на открытых горных работах, препятствуют недостатки известных, выполненных на основе ТТ, измерительных преобразователей. ТТ обладают рядом недостатков:
увеличенная масса; недостаточная точность, особенно в переходных режимах;
использование в качестве нагрузки резисторов, что способствует значительным выделениям тепла. Поэтому целесообразно изучить возможность применения в составе автоматизированных систем управления и релейных защитных устройств вместо ТТ других измерительных преобразователей переменного тока.
Во второй главе производится обзор существующих средств измерения, использующихся в устройствах релейной защиты от ненормальных режимов работы трхфазных электроустановок. Показано, что характеристики токовой защиты можно значительно улучшить путм улучшения показателей работы первичных ИПТ. В качестве альтернативы ТТ, в первую очередь для тяжлых условий эксплуатации горнодобывающих предприятий, необходимо рассматривать трансреакторы или, как их называют ещ, ДИПТ. В ДИПТ так же, как и в ТТ, используется трансформаторный эффект. Только ДИПТ измеряют не сами токи, а их производные. Так как ДИПТ работают в режиме, близком к холостому ходу, то они имеют огромное преимущество по сравнению с ТТ – значительно меньшую массу. Наилучшие метрологические свойства присущи ДИПТ, у которых магнитный сердечник отсутствует. Они известны также под названием «катушки Роговского». Такие ДИПТ обладают следующими положительными свойствами: не подвержены магнитному насыщению; пропускают большие токи перегрузки без повреждения; могут измерять очень большие токи без увеличения размеров; диапазон частот значительно шире, чем даже у специализированных высокочастотных ТТ; могут измерять производную тока до кА/мкс; их обмотка не соединена с электрической цепью, в которой производится измерение тока, и поэтому имеет потенциал земли, как у ТТ; они имеют низкое потребление мощности, небольшую массу и стоимость. В то же время всестороннее внедрение ДИПТ, вместо используемых ТТ, сдерживается трудностями, связанными с построением и согласованием параметров элементов фильтров симметричных составляющих при использовании их совместно с ДИПТ. По результатам проведнных исследований делается вывод о необходимости разработки научно обоснованных методов построения ИПТОП, получающих первичную информацию от ДИПТ.
Третья глава посвящена разработке ИПТОП, выполненных на основе ДИПТ и пригодных для использования в качестве измерительного органа релейных защитных устройств электрооборудования, которые обеспечивают защиту от несимметричных режимов работы. В ИПТОП входит фильтр напряжения (а не тока, как в известных ИПТОП) обратной последовательности (ФНОП). Предлагаются две конструкции ИПТОП: с пятиэлементным ФНОП (рисунок 1, а) и с двухэлементным ФНОП (рисунок 1, б).
Рисунок 1. Схемы ИПТОП с ФНОП: а – пятиэлементным, б – двухэлементным Источниками напряжения для обоих ИПТОП служат ЭДС E a и E b дифференцирующих индукционных преобразователей тока ДИПТ1 и ДИПТ2, катушки которых индуктивно связаны соответственно с токопроводами фазы A и B. (Сочетание выбранных фаз может быть любым, важно лишь соблюсти следующее условие: составляющая прямой последовательности фазного тока, индуктивно связанного с катушкой ДИПТ1, должна на 120° опережать аналогичную составляющую фазного тока, индуктивно связанного с катушкой ДИПТ2.) Катушки ДИПТ в ИПТОП с пятиэлементным ФНОП (рисунок 1, а) имеют равные сопротивления и взаимные индуктивности M с соответствующими токопроводами. В установившихся режимах, при синусоидальной форме токов системы, векторы токов I a и I b связаны с векторами соответствующих ЭДС соотношениями: E a j M I a и E b j M I b, где j – мнимая единица, а – угловая частота измеряемых токов.
Резисторно-конденсаторная цепь ФНОП состоит из двух конденсаторов:
первого C1 и второго C2, которые имеют сопротивления (-jX1) и (-jX2), и трх резисторов с сопротивлениями R1, R2 и R3. Рассматриваемый ФНОП отличается от известных четырхэлементных ФНОП наличием пятого элемента – третьего резистора. С помощью этого элемента компенсируется влияние индуктивного сопротивления jXk катушки ДИПТ2. Соблюдением известных соотношений:
R1 X 2 3 R2, а также предложенных условий: X1 R2 X k и R3 3 X k – обеспечивается равенство нулю выходного напряжения ФНОП U ab1 в установившемся режиме, когда токи I a, I b и I c образуют прямую последовательность.
Для получения оценки влияния сопротивлений катушки ДИПТ и нагрузки в общем виде вводятся три параметра: m X k R 2, mr Rk X k и mng R2 Rng, где Rng – сопротивление нагрузки ФНОП (сопротивление защитного реле). При использовании этих параметров и приведнных выше соотношений и условий все сопротивления элементов ИПТОП могут быть выражены в относительных единицах. В качестве базисного сопротивления принято сопротивление Rng.
Для ИПТОП с двухэлементным ФНОП (рисунок 1, б) взаимная индуктивность катушки ДИПТ фазы A с токопроводом этой фазы в два раза больше, чем аналогичная взаимная индуктивность ДИПТ фазы B с токопроводом фазы B. Для упрощения технологии изготовления катушек ДИПТ параметры их желательно унифицировать в максимальной степени. Поэтому для ДИПТ, не имеющих магнитного сердечника, рекомендуется использовать катушки с одинаковыми размерами, в каждой фазе по одной, но у катушки фазы А число витков в два раза больше. Так как индуктивность торообразной катушки пропорциональна квадрату числа е витков, а активное сопротивление е пропорционально первой степени числа витков, то индуктивное X kB и активное RkB сопротивления у катушки ДИПТ2 меньше, чем у катушки ДИПТ1 ( X kA и RkA ), соX kB 3 m R 4, ответственно в четыре и два раза:
Влияние XkA компенсируется выбором конденсатора с сопротивлением:
X (1 m) X 0, где X 0 3 R – сопротивление конденсатора при пренебрежимо малом сопротивлении катушки. Следовательно, влияние индуктивного сопротивления катушки ДИПТ проявляется в необходимости уменьшения мкости конденсатора ФНОП в (1 m) раз. Сопротивление R связано с сопротивлением нагрузки соотношением: R Rng mng.
Анализ работы ИПТОП удобно выполнять с помощью U-графа, соответствующего методу узловых потенциалов (рисунок 2). Он соответствует принципиальным схемам (рисунок 1) при заземлнном узле c. Напряжения узлов a и b, по отношению к узлу c обозначены как Ua и Ub. Числители передач ветвей графа равны проводимостям ветвей электрической цепи, а знаменатели этих передач равны собственным проводимостям короткого замыкания узлов, к которым направлены соответствующие ветви.
Для пятиэлементного ФНОП: Yaa YAa Yab Ya, Ybb YBb Yab Yb, где Ya – проводимость резистора R3, а Yb – проводимость последовательного соединения второго конденсатора C2 и резистора R3. Для двухэлементного ФНОП:
Yaa YAa Yab Ya, Ybb YBb Yab, где Ya – проводимость резистора R.
Результаты анализа показали, что параметр mr влияет на значения токов, напряжений и полных мощностей элементов ИПТОП незначительно. При пренебрежении активным сопротивлением катушек ДИПТ для пятиэлементного ФНОП при mng = 0,5 ошибка определения суммы расчтных мощностей элементов ФНОП снижается с уменьшением параметра m и составляет 1,1 % при m = 0,5 (реальное значение этого параметра не превосходит 0,5). Для двухэлементного ФНОП аналогичная ошибка при mng = 1 и m = 0,5 несколько больше (3,1%), но и в этом случае погрешность не выходит за пределы необходимой для инженерных расчтов точности. Поэтому в приведнных ниже выражениях, с целью достижения их большей компактности, параметр mr принимается равным нулю.
Для анализа установившихся режимов используются проводимости, выраженные в комплексной форме. Относительные значения этих проводимостей для ИПТОП с пятиэлементным ФНОП определяются выражениями:
для ИПТОП с двухэлементным ФНОП:
Зависимость напряжения нагрузки от ЭДС катушек ДИПТ находится по правилу Мэзона:
Путм подстановки выражений (1) в формулу (3) получается комплексная форма зависимости напряжения нагрузки ИПТОП от ЭДС катушек ДИПТ для пятиэлементного ФНОП:
Аналогичным образом была получена зависимость для двухэлементного ФНОП:
При обрыве фазы A ЭДС Ea равна нулю, при обрыве фазы B ЭДС Eb равна нулю, а при обрыве фазы C имеет место равенство Eb Ea. Во всех случаях абсолютное значения сомножителя при ЭДС равно 2. Это означает, что при одинаковых значениях амплитуд ЭДС амплитудное значение напряжения нагрузки ИПТОП во всех этих случаях одинаково. В режиме, когда токи трхфазной системы симметричны и образуют прямую последовательность, ЭДС Eb опережает ЭДС Ea на угол 3, то есть Eb Ea exp j 3. При этом числители выражений (4) и (5) тождественно равны нулю. Таким образом, предложенные ИПТОП (с пяти- и двухэлементным ФНОП) нужным образом реагируют на токи прямой последовательности и на отсутствие тока в одной из фаз.
Абсолютное значение ЭДС, выраженное по отношению к напряжению нагрузки ИПТОП, для пятиэлементного ФНОП находится по формуле:
а для двухэлементного – по формуле:
Анализ выражений (6) и (7) показывает, что e увеличивается с ростом mng и, в меньшей степени, при росте m.
В результате анализа работы ИПТОП в следующих режимах: оборвана фаза А; оборвана фаза В; оборвана фаза С; токи I a, I b и I c образуют прямую последовательность – было установлено для каждого элемента ИПТОП, в каком режиме полная мощность элемента максимальна. Это значение принимается в качестве расчтной мощности элемента. Для пятиэлементного ФНОП: расчтной мощности катушки ДИПТ1 соответствует режим обрыва фазы B; катушки ДИПТ2 – обрыва фазы A; резистора R1 – прямой последовательности; резистора R2 – обрыва фазы A; резистора R3 – прямой последовательности; конденсатора C1 – обрыва фазы B; конденсатора C2 – прямой последовательности.
Для двухэлементного ФНОП: расчтной мощности катушки ДИПТ1 – обрыва фаз В или С или прямой последовательности (определяется одним и тем же выражением), катушки ДИПТ2 – обрыва фазы С или прямой последовательности, резистора R – прямой последовательности, конденсатора C – обрыва фазы B.
Установлено, что минимум суммы расчтных мощностей всех элементов достигается для ИПТОП с пятиэлементным ФНОП при mng = 0,5, для ИПТОП с двухэлементным ФНОП mng = 1.
На рисунке 3 построены графики зависимостей расчтных мощностей двух катушек ДИПТ для ИПТОП с двух- и пятиэлементным ФНОП для тех значений параметра mng, которым соответствует минимум суммарной мощности элементов ИПТОП. На рисунке 4 показаны зависимости от параметра m суммарных расчтных мощностей элементов двух разработанных вариантов ИПТОП.
11, Рисунок 3. Расчтная мощность двух ка- Рисунок 4. Суммарная расчтная мощтушек ДИПТ: 1) пятиэлементный ФНОП; ность элементов ИПТОП с ФНОП: 1) пядвухэлементный ФНОП, катушки из тиэлементным; 2) двухэлементным, каодинакового провода; 3) двухэлементный тушки из одинакового провода, 3) двухФНОП, катушка фазы В из более тонкого элементным, катушка фазы В из более Анализ графиков, приведнных на рисунке 3, показывает, что при любом значении параметра m суммарная расчтная мощность катушек для ИПТОП с двухэлементным фильтром меньше, чем у варианта с пятиэлементным фильтром, если катушки выполнены из разного провода (при m = 0 на 13%, а при m = 1 – на 34%). Суммарная расчтная мощность катушек варианта с двухэлементным фильтром при катушках из одинакового провода меньше, чем у варианта с пятиэлементным фильтром, при m > 0,32. При m = 0 она больше на 5,9%, а при m = 1 – меньше на 11,6%. Можно также констатировать, что для двухэлементного ФНОП минимум массы катушек наблюдается при параметре m, равном примерно 0,6. Но от этого параметра суммарная расчтная мощность катушек зависит слабо: при изменении m от 0 до 0,6 она снижается менее чем на 2%.
Преимущество ИПТОП с двухэлементным ФНОП подтверждает рисунок 4. Суммарная расчтная мощность элементов такого ИПТОП при m = меньше, чем у ИПТОП с пятиэлементным ФНОП, на 6% (16%), а при m = меньше на 4,6% (11,7%). В скобках приведены результаты для катушек из разного провода.
В четвертой главе производится анализ динамических режимов ИПТОП с двух- и пятиэлементным ФНОП. Эти режимы сопровождают переходные процессы в системах, которые такие ИПТОП защищают от несимметричных режимов. К числу рассмотренных переходных процессов относятся те, которые происходят при подключении нагрузки к источнику напряжения и при обрыве одной фазы питающей линии.
Анализ указанных динамических режимов и переходных процессов производится с помощью преобразования Лапласа. Обычно такое преобразование выполняется заменой сомножителя j на s – аргумент изображения функций времени t. Для этого выражения (1) – (3) переводятся из комплексной формы в операторную. Обычно такое преобразование выполняется заменой сомножителя j на s. Но в диссертации переменная s рассматривается как нормированная, у которой базисной величиной является угловая частота. При этом аргументом оригиналов преобразованных по Лапласу величин является не время, а угол t, символ j заменяется на s, если перед j стоит или предполагается знак плюс. В противном случае j заменяется на 1/s (изображение операции интегрирования), а знак минус перед слагаемым, в которое входил сомножитель j, заменяется плюсом.
В результате указанных действий были найдены изображения напряжения нагрузки ФНОП:
для пятиэлементного фильтра:
для двухэлементного фильтра:
где ea s и eb s изображения относительных значений ЭДС катушек ДИПТ1 и ДИПТ2.
С помощью формул (8) и (9), с выполнением обратного преобразования Лапласа, можно рассчитать любой переходный процесс для обоих ИПТОП. Для этого достаточно задать изображения ЭДС катушек, оригиналы которых пропорциональны производным заданных фазных токов. Переходные процессы, возникающие в ИПТОП при воздействии на него заданных установившихся и свободных составляющих измеряемых токов, легко рассчитываются с помощью программ компьютерной математики типа Maple. Но формулы выходного напряжения ФНОП для описания различных переходных процессов имеют слишком громоздкий вид, что затрудняет их изображение. Ещ большие трудности возникают при попытке аналитического описания переходных процессов, когда защищаемое оборудование имеет сложное математическое описание. К такому электрооборудованию относится, в частности, асинхронный электропривод, которому соответствует сложная система нелинейных дифференциальных уравнений. Поэтому при помощи программы Maple были рассмотрены только два, но очень важных, переходных процесса: подключение короткозамкнутого асинхронного двигателя к симметричной трхфазной системе и к системе с одной оборванной фазой.
Принужднная составляющая пускового тока превосходит номинальный ток АД в пять и более раз. Поэтому можно пренебрегать относительно небольшим намагничивающим током двигателя и не учитывать наличие намагничивающего контура в схеме замещения АД. На первом этапе пуска, когда скольжение ротора s АД близко к единице, а частота токов ротора f 2 f1 s – к частоте сети f1, активное сопротивление r2 s цепи ротора в схеме его замещения изменяется незначительно. Ведь при запуске АД знаменатель сопротивления r2 s снижается, а в результате уменьшения частоты f2, вытеснение тока в стержнях обмотки к наружной поверхности ротора и активное сопротивление обмотки ротора r2 падают, что приводит к уменьшению и числителя сопротивления r2 s.
Следовательно, как для неподвижного двигателя, так и для начинающегося разгоняться, справедлива простейшая схема замещения АД, когда его фазе соответствует сопротивление короткого замыкания.
Токи АД рассматривались в относительных единицах, т.е. базисной величиной служила амплитуда переменной составляющей его пускового тока. Тогда при подключении АД к симметричной сети токи, измеряемые катушками ДИПТ, и изображения этих токов определяются выражениями:
где – начальная фаза периодической составляющей тока фазы A, – нормированное значение постоянной времени, соответствующей сопротивлению короткого замыкания АД.
В принятой системе относительных единиц и нормированного времени взаимные индуктивности M катушек ДИПТ заменяются амплитудным значением их ЭДС, которое определяется для пятиэлементного фильтра формулой (6), а для двухэлементного фильтра формулой (7). При этом изображения относительных значений ЭДС катушек для токов АД, образующих прямую последовательность, находятся по формулам:
На рисунке 5 (а, в) показаны графики переходного процесса выходного напряжения u ab ИПТОП при подключении заторможенного АД к трхфазному источнику, напряжения которого образуют прямую последовательность.
Эти графики представляют собой динамическую ошибку ИПТОП – переход его выходного напряжения к установившемуся нулевому значению. Графики построены при mng 1 и mng 0,5 для двух- и пятиэлементного фильтра соответственно, когда суммарная расчтная мощность элементов ИПТОП минимальна.
Рисунок 5. Динамические ошибки выходного напряжения ИПТОП при подключении заторможенного АД к симметричному трхфазному источнику для = /6:
а и в – при использовании ДИПТ: сплошная линия – m = 0,1; пунктирная линия – m = 0,5;
штриховая линия – m = 1,0, а – пятиэлементный ФНОП, в – двухэлементный ФНОП;
б и г – при использовании ТТ: а – сплошная линия – mng = 0,1, штриховая линия – mng = 1,0, б – пятиэлементный ФНОП, г – двухэлементный ФНОП Анализ этих и других графиков позволяет сделать следующие выводы:
1. Максимум динамической ошибки имеет место при = /6.
2. Увеличение параметра mng и уменьшение относительной постоянной времени приводят к росту и максимума динамической ошибки, и скорости е затухания.
3.Увеличение параметра m вызывает снижение максимума динамической ошибки, увеличение колебательности переходного процесса и уменьшение скорости его затухания.
Для сравнения, на рисунке 5 (б и г) показаны графики динамической ошибки ИПТОП, выполненного на основе ТТ, при том же самом переходном процессе. В таком ИПТОП ЭДС E a и Eb образуются с помощью балластных резисторов, подключнных к вторичной обмотке двух ТТ. При расчте эти трансформаторы рассматривались как идеальные: у них учитывался только один параметр – коэффициент трансформации. Так как в соответствующей схеме замещения ТТ индуктивности отсутствуют, то параметр m принимался равным нулю. Видно, что максимальные значения динамической ошибки на рисунке 5, б и на рисунке 5, а (при m = 0,5) практически одинаковы, но у ИПТОП, выполненного на основе ТТ, затухание этой ошибки происходит гораздо медленнее.
Следовательно, замена ТТ на ДИПТ приводит не только к огромному снижению массы первичных измерительных преобразователей тока, но и к заметному улучшению динамических свойств ИПТОП.
Аналогичным образом было проведено исследование выходных напряжений ИПТОП, возникающих при подключении АД к системе с одной оборванной фазой. Для примера, на рисунке 6 показаны графики выходного напряжения ИПТОП (с двух и пятиэлементным фильтром) при подключении АД к системе с обрывом фазы С.
Рисунок 6. Выходное напряжение ИПТОП при подключении АД к системе с обрывом фазы С: а – двухэлементный ФНОП, б – пятиэлементный ФНОП: при использовании ДИПТ:
сплошная линия – m = 0,1, = 0; штриховая линия – m = 0,5, = – /2; при использовании ТТ, m = 0, mng = 0,5, = – /2 – пунктирная линия Для преодоления указанных выше упрощений: пренебрежимо малый ток намагничивания АД и постоянство его входного сопротивления – было применено моделирование динамических процессов в АД и ИПТОП с помощью программы Simulink пакета MATLAB. При моделировании были использованы параметры АД мощностью от 50 до 160 кВт, которые идентичны АД, применяемым для привода насосных установок в условиях горнодобывающих предприятий Приморского края. Параметры элементов ИПТОП рассчитывались в соответствии с приведнными в третьей главе зависимостями (сопротивление нагрузки было принято равным 30 кОм).
На рисунке 7 в качестве примеров показаны графики выходного напряжения ИПТОП с двух- и пятиэлементным ФНОП для случаев обрыва одной фазы у АД, находившегося в работе. На каждом из рисунков: а, б – верхние графики относятся к ИПТОП с ДИПТ, а нижние – с ТТ.
Рисунок 7. Выходное напряжение ИПТОП при обрыве фазы А: б) а – для ИПТОП с двухэлементным ФНОП; б – для ИПТОП с пятиэлементным ФНОП Установлено, что протекание переходных процессов с двухэлементным фильтром в большинстве исследуемых режимов проходит с большими скачками выходного напряжения ФНОП. При использовании ТТ совместно с двухэлементным ФНОП переходные процессы имеют затяжной характер, в среднем время переходных процессов больше на 30–40%. При использовании ДИПТ в обоих вариантах ИПТОП, графики выходного напряжения ФНОП имеют схожий вид и практически не отличаются (для обоих вариантов ИПТОП характерно, что время практического окончания переходных процессов составляет около 0,02 с). При подключении АД к симметричной системе двухэлементный ФНОП выдает скачок выходного напряжения больше, чем пятиэлементный ФНОП, на 30%. В общем, по результатам моделирования переходных процессов можно сделать вывод, что оба варианта ИПТОП являются конкурентоспособными.
На основании результатов исследований, приведнных в четвртой главе, сделаны рекомендации по выбору таких уставок срабатывания и выдержки времени реле, которые обеспечивают необходимую чувствительность и отсутствие ложных срабатываний защиты от работы АД в неполнофазном режиме.
В пятой главе проводится анализ возможности совместной работы защитных устройств на микропроцессорной основе с вариантами разработанных ИПТОП. Для условий Приморского края наибольшее распространение получили автоматизированные системы учта электрической энергии, которые одновременно выполняют функции микропроцессорных релейных защит (МРЗ) от всевозможных ненормальных режимов работы электроустановок.
Главное назначение МРЗ в настоящее время – резервная защита для основных защит, снабжнных электромеханическими реле. В таком случае ФНОП должен быть рассчитан на параллельное подключение к его выходу входов сразу двух реле: МРЗ и электромеханического.
Приводится методика расчта ИПТОП, выполненных на основе ДИПТ, которая обеспечивает минимум суммы максимальных расчтных мощностей элементов ИПТОП с двух- и пятиэлементным ФНОП. Основным вводным параметром для расчта является выходное сопротивление ФНОП – эквивалентное сопротивление параллельно включнных входов МРЗ и электромеханического реле.
Так как параметры ФНОП зависят от сопротивлений катушек ДИПТ, а взаимная индуктивность этих катушек с токопроводами защищаемой системы определяются параметрами ФНОП, то расчт ИПТОП производится итеративным способом. На первой стадии расчта необходимо задаться ориентировочным значением параметра m. При последующих итерациях это значение уточняется. С целью сокращения времени, необходимого для проведения расчтов параметров ИПТОП, был составлен алгоритм и программа на языке Паскаль.
ДИПТ для защиты АД с напряжением 400 В целесообразно выполнять как трансреакторы с магнитным сердечником, имеющим воздушные зазоры.
Эти особенности позволяют изготавливать ДИПТ с рекордно малыми габаритными размерами. Расчт подобных ДИПТ мало отличается от широко известного расчта обычных реакторов переменного тока. Проложенные в карьерах линии и некоторые, входящие в комплекс добычи полезных ископаемых, потребители электроэнергии имеют напряжение от 6 до 35 кВ. В этом случае ДИПТ должны иметь другую конструкцию: магнитный сердечник отсутствует, катушка ДИПТ охватывает проходной изолятор токопровода с измеряемым током.
При одинаковой мощности ток потребителя электроэнергии обратно пропорционален его напряжению. Поэтому при переходе от 400 В, например к 6 кВ, ток потребителя снижается в 15 раз. Во столько же раз должна увеличиться взаимная индуктивность катушки и токопровода ДИПТ.
Некоторые новые разновидности катушек Роговского отвечают требованиям к их размещению. Они имеют печатную обмотку, нанеснную на плоское кольцо, внутренний диаметр которого несколько больше наружного диаметра проходного изолятора. Недостаток такой конструкции – слишком малая площадь обмотки. ЭДС таких катушек (десятки-сотни милливольт) недостаточна для непосредственного, без промежуточных усилителей, подключения ДИПТ к ФНОП, нагруженному на электромеханическое реле. Чтобы обеспечить высокую наджность работы такой и комбинированной защит, целесообразно отказаться от применения усилителей и разработать ДИПТ, пригодные для непосредственного подключения к входам ФНОП.
Проведнные исследования позволяют сделать следующие рекомендации.
Для снижения массы и индуктивности катушки, а также для защиты е от мешающих магнитных полей е следует делать двухслойной, намотанной так, что мешающие ЭДС первого и второго слоя вычитаются, а ЭДС, которые наводятся в этих слоях катушки магнитным полем измеряемого тока, складываются. Токи катушек ДИПТ, предназначенных для МРЗ, очень малы из-за высокого входного сопротивления микропроцессора (100–250 кОм). Поэтому обмоточный провод катушки следует выбирать не по допустимой плотности тока, а по условию достаточной механической прочности провода при его механизированной намотке.
Расчт параметров катушки целесообразно выполнять с проверки возможности изготовления двухслойной катушки, полностью обмотанной витками при минимальном шаге намотки. Отношение полученных в ходе расчта диаметров витка dk катушки и е осевой линии Dk не должно значительно выходить за пределы 0,15–0,3, в которых находится это отношение у торообразных катушек ДИПТ, изготовленных ведущими электротехническими фирмами. При очень малом отношении dk к Dk следует увеличить шаг намотки и это приведт к увеличению dk и к снижению длины провода и индуктивности катушки. Если же это отношение слишком велико, то следует увеличить число пар слов катушки. Тогда диаметр dk уменьшится, что облегчит процесс намотки катушки.
Пример расчта параметров ДИПТ для двух- и пятиэлементного ФНОП приведен в приложении 2 диссертационной работы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертации изложены научно обоснованные технические разработки, имеющие существенное значение для совершенствования защиты асинхронных электроприводов от неполнофазных режимов работы. Основные выводы работы заключаются в следующем.1. Из всех причин внеплановых простоев оборудования и механизмов, задействованных на добыче и переработке полезных ископаемых, наиболее значимыми являются отказы по электрической части, связанные с выходом из строя электропривода горных машин из-за неполнофазных режимов работы.
2. На основании анализа существующих измерительных преобразователей тока для релейных защитных устройств от неполнофазных режимов работы, было установлено, что, для использования в качестве первичных измерительных преобразователей тока, ДИПТ имеют явное преимущество перед ТТ.
Последние громоздки, имеют большую массу и худшие эксплуатационные характеристики по сравнению с ДИПТ. Использование ДИПТ позволяет создать устройства для измерения токов обратной последовательности, способные выполнять свои функции при любых особенностях эксплуатации и места установки защищаемого электродвигателя.
3. Предложены и разработаны несколько вариантов ИПТОП, содержащих ДИПТ, подключнные к входам пяти- или двухэлементные ФНОП, которые обеспечивают высокую избирательность защиты от работы в несимметричных режимах. Такие ИПТОП имеют значительно меньшую суммарную массу, по сравнению с аналогами. Кроме того, эти ИПТОП пригодны для непосредственного сопряжения с аналого-цифровыми преобразователями.
4. Разработана методика расчта, позволяющая производить выбор таких параметров элементов ФНОП и ДИПТ, входящих в ИПТОП, при которых обеспечивается минимальное значение суммы расчтных мощностей этих элементов.
5. Проведены исследования переходных процессов, возникающих в ИПТОП при подключении связанной с ним симметричной активноиндуктивной нагрузки или АД в следующих случаях: подключение к источнику с трхфазным напряжением прямой последовательности, один провод питающей линии оборван до подключения АД или обрывается во время его работы.
6. Создана методика, позволяющая рассчитать ДИПТ, предназначенные для установки в сетях с напряжением 6–35 кВ. Двухслойная тороидальная катушка таких ДИПТ обеспечивает заданное значение взаимной индуктивности с токопроводом, который она охватывает, защиту от мешающих магнитных полей и минимальную массу обмоточного провода.
7. Полученные результаты и рекомендации пригодны не только для защиты электрооборудования открытых горных работ, но и для электротехнических комплексов и систем другого, самого широкого, назначения.
СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1.Соловьв Д. Б., Кувшинов Г. Е. Применение дифференцирующих индукционных преобразователей тока в защите электроустановок обогатительных фабрик // Энергобезопасность и энергосбережение. – №4. 2010. – С. 31–34.
2. Соловьв Д. Б., Кувшинов Г. Е. Моделирование режимов работы измерительного преобразователя тока обратной последовательности, выполненного на основе дифференцирующих индукционных измерительных преобразователей // Электротехнические комплексы и системы управления. – № 3. 2010. – С. 2–7.
3. Соловьв Д. Б. Обеспечение безопасной эксплуатации технологического комплекса на основании защитного устройства от неполнофазных режимов работы // Промышленная энергетика. – №6. 2010. – С. 15–20.
4. Соловьв Д. Б., Кувшинов Г. Е. Замена трансформаторов тока на дифференцирующие измерительные преобразователи тока в релейной защите и автоматике электротехнических комплексов и систем // Электротехнические комплексы и системы управления. – № 4. 2010. – С. 51–56.
5. Соловьв Д. Б. Особенности эксплуатации экскаваторного парка в условиях юга Дальнего востока России // Горное оборудование и электромеханика. – №1.
2010. – С. 29-31.
6. Соловьв Д. Б. Оценка энергозатрат выемочно-погрузочных машин на перемещение горной массы в зависимости от геомеханического состояния массива для условий Приморского края // Горное оборудование и электромеханика. – № 5. 2010. – С. 22-26.
7. Соловьв Д. Б. Анализ электропотребления угольного разреза при внедрении автоматизированной системы учта электрической энергии // Горное оборудование и электромеханика. – № 10. 2010. – С.17–20.
8. Соловьв Д. Б. Потребление активной и реактивной энергии при работе одноковшовых экскаваторов. [Текст] / Дорошев Ю. С., Соловьв Д. Б. // Горное оборудование и электромеханика. – № 11. 2010. – С. 34–39.
9. Соловьв Д. Б. Микропроцессорная система управления электроприводом карьерных экскаваторов // Горное оборудование и электромеханика. – № 1.
2006. – С. 17-18.
10. Соловьв Д. Б., Дорошев Ю. С. Оптимизация режимов возбуждения сетевых синхронных двигателей одноковшовых экскаваторов на угольных разрезах на основе U-образных характеристик // Горное оборудование и электромеханика. – № 8. 2006. – С. 21-24.
11. Соловьв Д. Б., Кувшинов Г. Е. Повышение точности измерения токов в электроэнергетических системах // Энергобезопасность и энергосбережение. – №1. 2011. – С. 32–36.
12. Соловьв Д. Б. Переходные процессы в измерительном преобразователе тока обратной последовательности, основанном на использовании катушек Роговского // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. – № 2.
2011. – С. 23–28.
13. Соловьв Д. Б., Кувшинов Г. Е. Защита электротехнических комплексов горнодобывающих предприятий от токов обратной последовательности // Промышленная энергетика. – №3. 2011. Принята к опубликованию.
14. Дорошев Ю.С., Соловьев Д.Б., Карпушенко В.Б. Патент РФ № 2258291 на изобретение «Многоканальное защитное устройство от анормальных режимов работы трехфазных электроустановок». Н02Н7/08. 2005.
15. Соловьев Д.Б. Исследование синхронного двигателя в среде Simulink // Труды ДВГТУ. Вып.141. – Владивосток: ДВГТУ, 2005. – С. 120–122.
16. Соловьев Д.Б. Математическое моделирование синхронного двигателя карьерного экскаватора // Материалы НТК «Вологдинские чтения», №52, «Раздел общие вопросы». – Владивосток: ДВГТУ, 2005. – С. 3–5.
17. Соловьев Д.Б. Экономические аспекты применения энергосберегающих технологий. [Текст] / Дорошев Ю. С., Кувшинов Г. Е., Соловьев Д.Б. // Материалы конференции «Инновация в электропромышленности». – Благовещенск:
изд–во Амур, 2008. С.145–150.
18. Соловьв Д. Б. Измерительный преобразователь переменного тока для устройств защиты от ненормальных режимов работы. [Текст] / Козлов А.Н., Кувшинов Г. Е., Соловьв Д. Б. // Материалы НТК «Вологдинские чтения». – Владивосток: ДВГТУ, 2010. С. 46–47.
19. Соловьв Д. Б. Применение дифференцирующих индукционных преобразователей тока в системах защиты и управления электроустановок // Сборник научно-исследовательских работ финалистов конкурса аспирантов и молодых учных в области энергосбережения в промышленности. г. Новочеркасск, октябрь 2010. – Новочеркасск: Юж. Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ), 2010. – С. 65–69.
«