Устройство автоматического отключения в шахте

1.Защитное отключение как средство  предотвращения электротравматизма  в шахтах

1.1.Основные понятия и определения

Защитное отключение состоит в быстром снятии напряжения с электроустановки, в которой  возникли пробой изоляции и утечка тока на землю или к токоведущей части прикоснулся человек.

Для обеспечения  защитного отключения необходимо иметь  специальное устройство (коммутационный аппарат) для быстрого размыкания электрической  цепи и прерывания тока раньше, чем  наступит опасный исход для чувствительных к электрическому току органов человека. Необходимо также наличие чувствительного элемента (датчика), способного быстро обнаружить утечку тока на землю или прикоснувшегося человека и выдать сигнал на отключение коммутационного аппарата.

Утечка тока из сети на землю возникает как тогда, когда для нее образуется путь через повреждение изоляции токоведущих частей относительно земли, так и тогда, когда такой путь образуется через тело человека, прикоснувшегося к токоведущей части и имеющего контакт с землей. Поэтому необходимо и достаточно, чтобы защитное отключение реагировало на опасный ток утечки.

Кроме полного  пробоя изоляции и возникновения глухого замыкания на землю может происходить и частичный пробой, когда замыкание осуществляется через некоторое сопротивление в месте повреждения, названное профессором Р.М. Лейбовым сопротивлением утечки. В этом смысле сопротивление тела человека, прикоснувшегося к токоведущей части, также может рассматриваться как сопротивление утечки.

В дальнейшем будем  различать сопротивление утечки и сопротивление изоляции электрической сети. Первое из них вызвано сосредоточенным повреждением здоровой изоляции, обусловленным местными дефектами в ее структуре, механическим нарушением целостности, пробоем или местным ухудшением в результате действия перенапряжений, воздействие влажного и запыленного шахтного климата и т. д. Второе сопротивление обусловливается природой диэлектрика и в схеме электрической сети распределяется по длине проводников. Его величина зависит от конструктивных параметров изоляции различных типов электрооборудования и кабелей, нормируется стандартами и другими нормативными документами.

Сопротивление утечки может быть равным нулю при  глухом замыкании фазы на землю или  иметь различные значения в зависимости  от характера повреждения изоляции, а также величины сопротивления тела человека, когда оно рассматривается как сопротивление утечки. Поэтому под током утечки принято понимать ток, обусловленный действием напряжения электрической сети и протекающий через сопротивление утечки на землю. Утечка тока может происходить из одной, двух или всех трех фаз вследствие повреждения изоляции соответственно одной, двух или всех трех фаз с возникновением тока одно двух и трехфазной утечки.

Анализ электротравматизма в угольных шахтах показывает, что все поражения током от прикосновения к токоведущим частям происходили в результате прикосновения к одной из фаз сети, поэтому тело человека рассматривается как сопротивление однофазной утечки.

В шахтах применяют  устройства защитного отключения, чувствительные элементы которых реагируют на сопротивление утечки и сопротивление изоляции сети. В таких устройствах, контролирующих сопротивление изоляции сети относительно земли, используются источники контрольного тока.

Хотя защитное отключение предназначено, прежде всего, для предотвращения электротравматизма, оно может быть использовано также для предотвращения аварий, связанных с пожаром и взрывом рудничной атмосферы от электротока, благодаря способности отключать электроустановки при возникновении искр и электрических дуг.

Поэтому целесообразно  оценить его эффективность не только как средства предотвращения электротравматизма, но и как средства предотвращения указанных аварий.

Так как поражение  электротоком, пожар и взрыв рудничной  атмосферы – случайные события, то для их описания и, следовательно, оценки количественного снижения вероятности этих событий могут быть применены известные показатели и методы теории вероятностей.

Обобщенными количественными  показателями опасных событий являются: вероятность возникновения события или вероятность его невозникновения за определенное время, среднее время между двумя следующими один за другим событиями, среднее число событий на единицу времени и др.

Эффективность любого из защитных мероприятий или  средств, направленных на предотвращение опасных событий, может быть оценена по снижению вероятности события, обеспечиваемому благодаря его применению.

В зависимости  от задач исследований различными авторами предлагались различные критерии эффективности  защитных мероприятий, так или иначе связанные с вероятностными показателями.

Для опасного события (поражения электротоком) эффективность защитного отключения будет оцениваться по вероятности поражения электротоком в электроустановке с защитным отключением Q’п и коэффициенту (кратности) снижения вероятности поражения за счет защитного отключения

n=Q_п/Q_п’

где Qп вероятность поражения при отсутствии или недействующем защитном отключении.

Переход от вероятности  поражения Qп, Q’п к вероятности невозможности поражения Qб, Q’б осуществляется по формулам:

Q_б=1-Q_п;

Q’_б=1-Q’_п.

Такие критерии непосредственно отражают достигаемый  эффект в снижении опасностей, они  отличаются простотой и имеют  преемственность с традиционно  применяемыми критериями оценки эффективности  средств взрыво- и искробезопастности рудничного электрооборудования

Так, при оценке взрывобезопасности средств фланцевой  защиты их эффективность считается  достаточной, если вероятность взрыва метано-воздушной смеси при испытаниях не выше 10^-3, а при оценке искробезопасности электрооборудования, предназначенного для работы в загазированной выработке, если вероятность взрыва при испытаниях не выше 10^-8. ГОСТ 12.1.010-76 «Взрывобезопасность. Общие требования» также в качестве критерия взрывобезопасности предписывает вероятность возникновения взрыва на любом взрывоопасном участке в течение года не выше 10^-6.

По имеющимся  сведениям разрабатываемый ГОСТ по электробезопасности также будет использовать в качестве критерия вероятность поражения электротоком.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Аппаратура защитного отключения для электроустановок и кабельных сетей переменного тока.

2.1. Классификация аппаратуры защитного  отключения и область ее применения.

В настоящее  время известно большое количество устройств, осуществляющих защитное отключение. В зависимости от построения и принципа действия электрических схем устройства можно классифицировать следующим образом:

1) реагирующие  на напряжение нулевой последовательности;

2) реагирующие  на ток нулевой последовательности;

3) работающие  на постоянном токе, получаемом от дополнительного источника;

4) работающие  на выпрямительных токах силовой  сети вентильные устройства;

5) основанные  на контроле изоляции постоянным  током и одновременно реагирующие  на ток или напряжение нулевой  последовательности комбинированные  устройства;

6) работающие  на переменном токе, частота которого  отличается от частоты тока  сети.

Устройства, основанные на контроле изоляции постоянным током, получили наибольшее применение как  в российских шахтах, так и в  шахтах зарубежных стран, где используются сети с изолированной нейтралью трансформатора.

При этом наряду с обычными схемами, в которых  присутствуют дополнительные источники тока или используется выпрямительный ток сети, широко применяются и комбинированные схемы с дополнительным использованием напряжения или тока нулевой последовательности.

Преимущества  таких схем защитного отключения состоят в способности контролировать повреждение изоляции и уровень  ее сопротивления, а также возможность обеспечения заданных установок срабатывания. Их недостатком является контроль омического сопротивления изоляции постоянному току вместо контроля активного сопротивления изоляции переменному току.

Приоритет в  разработке теоретических основ  и создания первой, освоенной отечественной  промышленностью, аппаратуры защитного отключения для рудничных сетей и электроустановок переменного тока по праву принадлежит профессору Донецкого политехнического института Р.М. Лейбову. В книге «Утечки в шахтных электрических сетях» он сформулировал и обосновал основные параметры защиты от утечек, ввел терминологию в вопросах защиты от утечек, разработал схемы и конструкции первых аппаратов защиты от утечек, так называемые реле утечки во взрывобезопасном исполнении типа РУ-380.

В этой книге  решены также и другие научные  вопросы теории и практики защиты от утечек для рудничных электрических сетей и электроустановок переменного тока с относительно небольшой емкостью «сеть-земля».

Из небольшого  количества схем устройств, опубликованных в технической литературе, рассмотрим лишь наиболее типичные.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Вентильные схемы устройств защитного отключения.

Реле утечки РУВ-2 разрабатывалось для электрических  сетей с небольшой емкостью. По мере роста электрических нагрузок, протяженности и разветвленности  шахтных кабельных сетей возникла необходимость более качественной, чем в этом реле, компенсации влияния емкости на величину токов утечки. Кроме того, пришлось решать задачу исключения ложных срабатываний защиты, которые имели место в реле утечки РУВ-2 в результате воздействия переходных процессов, возникающих при частых включениях и отключениях мощных электродвигателей. Поэтому при создании устройств защиты от утечки было необходимо учитывать не только активное сопротивление изоляции, но и емкость сети, а также осуществлять так называемую деформацию характеристик и вводить в схему устройства защиты компенсатор емкостных токов. Для снижения ложных срабатываний схему реле утечки строили таким образом, чтобы повысилось её внутреннее сопротивление оперативному постоянному току и оперативное напряжение схемы, а в качестве чувствительного элемента можно было бы применять реле с большим током срабатывания и использовать различные фильтры для отстройки схемы от бросков переходных токов в цепи чувствительных элементов.

Было предложено много  вариантов таких схем реле утечки. Наиболее типичным из них было устройство автоматического контроля изоляции типа УАКИ с вентильной схемой, разработанное совместно ДонУГИ, ДПИ, МакНИИ и ДЗША. Схемное решение этого устройства отработано

А.Я. Фаниным, В.Д. Кочетковым и Х.М. Желиховским, которые обосновали и его основные параметры применительно к неавтоматическому (статическому) компенсатору емкостных токов утечки.

Вновь разработанное реле утечки было поставлено на промышленное производство в 1963 году. Принцип защитного отключения и контроля изоляции при применении реле утечки типа УАКИ показан на упрощенной схеме (рис. 1.1)

 

Рис. 1.1 Упрощенная схема защиты типа УАКИ.

 

В схеме используется одно двухобмоточное реле постоянного тока К, обмотки которого соединены так, что их магнитные потоки направлены встречно. До тех пор пока изоляция сети не повреждена, оперативный ток через изоляцию (I_из) отсутствует. Обе обмотки реле обтекаются вспомогательным выпрямленным током (I_в), благодаря наличию трех выпрямителей 1,2,3 и фильтра из трех резисторов R. Так как обмотки включены встречно, результирующий магнитный поток реле недостаточен для его срабатывания.

При наличии  сниженного сопротивления изоляции или при прикосновении человека к фазе возникает постоянный ток через изоляцию (Iиз), который в реле протекает только через обмотку II, поскольку цепь обмотки I заперта вентилем 4. При этом разность магнитных потоков, создаваемых обмотками II и I, станет достаточной для срабатывания реле, контакты которого замыкают цепь отключающей катушки автоматического выключателя, в свою очередь отключающего сеть с поврежденной изоляцией или с прикоснувшимся к фазе человеком.

В реле утечки УАКИ-380 и УАКИ-660 на напряжение 380 и 660В (рис. 1.2) для компенсации емкостных токов утечки применен компенсатор, состоящий из трех конденсаторов (С2,С3,С4) и компенсирующего дросселя L.

 

 

Рис. 1.2 Схема  защитного отключения с помощью  реле утечки УАКИ-380 (УАКИ-660) и фидерного  автомата АФВ.

Конденсаторы образуют искусственную точку, к которой подключается дроссель L. Второй зажим дросселя соединен с землей через два конденсатора большой емкости (С1), которые для переменного тока представляют небольшое сопротивление. Благодаря этому дроссель оказывается подключенным между тремя фазами сети и землей, поэтому его действие проявляется аналогично индуктивности в рассмотренной схеме рис.1.3

 

 

 

 

 

Рис. 1.3 Принцип  компенсации емкости: а– схема сети; б– схема замещения; в – векторная  диаграмма токов.

 

Компенсатор с  помощью предусмотренных отпаек обмотки дросселя L может настраиваться на емкость сети до

0,5 мкФ/фазу (используется  отпайка 3), что соответствует общей длине всех кабелей сети до 2,5 км и на емкость  до   1 мкФ/фазу (используется обмотка 2), что соответствует общей длине всех кабелей сети более 2,5 км.

В реле утечки УАКИ-127 – III и УАКИ-220/127 (см. рис. 1.4)

отсутствует компенсатор емкостных токов. Это объясняется тем, что бурильные и осветительные сети имеют, как правило, небольшую емкость (около 0,2 мкФ/фазу), вследствие чего их емкостное сопротивление изоляции велико, а емкостная составляющая тока утечки мала.

 

Рис 1.4 Принципиальная схема реле утечки УАКИ-127-III

 

Реле утечки УАКИ-380 и УАКИ-660 предназначены для  силовых сетей напряжением 380 и 660В, а УАКИ-127 – III и УАКИ-220/127 – для осветительных и бурильных сетей напряжением 127 и 220В

Указанные типы реле утечки выпускаются Днепропетровским заводом шахтной автоматики (г. Днепропетровск).

Кроме взрывобезопасных модификаций освоены невзрывобезопасные блоки реле утечки БЗП-1А для встройки в оболочки взрывобезопасных передвижных подстанций типа ТКШВП и ТКШВПС.

 

Техническая характеристика реле утечки типа УАКИ.

	УАКИ-660	УАКИ-380	УАКИ-127 III	УАКИ-220/127
Сопротивление однофазной утечки, при котором происходит срабатывание кОм	11-14	6,2-7,5	3,2	5,5-7,5 2,8-3,5
Сопротивление трехфазной утечки, при котором происходит срабатывание, кОм/фаза, не менее	30	10,5	3,3	7,0 и 3,3
Собственное время  срабатывания при сопротивлении  однофазной утечки 1 кОм, с, не более	0,1	0,1	0,1	0,1

 

Блоки реле утечки УАКИ-127 – III, встраиваемые во взрывобезопасные оболочки пусковых агрегатов ручных электросверл АП-3, выпускает завод «Красный металлист», г.Конотоп и в АБК-2,5 – Прокопьевский завод шахтной автоматики. Схемы блоков ничем существенным от аналогичных взрывобезопасных модификаций не отличаются, за исключением того, что в блоках отсутствует блокировочный разъединитель, роль которого выполняют силовые контакты автоматических выключателей.

Схема реле утечки типа УАКИ, примененного в блоке БЗП-1А, позволяет производить необходимые переключения для использования ее либо при напряжении, 660 или 380 В.

В блоке БЗП-1А  кроме реле утечки размещены элементы схемы тепловой защиты, силового трансформатора передвижной подстанции, осуществляемой с помощью термистора, закрепляемого на верхней секции обмотки низшего напряжения силового трансформатора.

Для протяженных и разветвленных электрических сетей с низким сопротивлением изоляции были разработаны устройства защиты с деформированными характеристиками, у которых чувствительность к несимметричным повреждениям изоляции оставалась такой же высокой, как и в схеме РУ-380, и даже выше, а чувствительность к симметричным ухудшениям изоляции всех трех фаз сети была значительно снижена. Считалось, что такую деформацию можно допустить, так как прикосновение человека эквивалентно несимметричному снижению изоляции.

Наиболее характерной схемой защиты такого рода является схема РУН, сопротивление срабатывания трехфазной симметричной утечки которой примерно в 3 раза меньше сопротивления срабатывания схемы РУ-380 и при напряжении 380 В составило приблизительно 3 кОм на каждую фазу сети.

В схеме РУН  применены дополнительные источники  постоянного тока, поэтому она значительно сложнее схемы РУ-380. кроме того, потребность в таких устройствах защиты оказалась ограниченной (только для шахт, не опасных по газу и пыли), широкий промышленный выпуск ее освоен не был. В настоящее время устройство РУН не применяется.

Перспективной оказалась схема защиты САЗУ (самонастраивающий аппарат защиты от утечек) с автоматически изменяющейся величиной оперативного напряжения (то есть сопротивления срабатывания симметричной утечки) при изменении сопротивления изоляции защищаемой электросети.

Контроль изоляции в схеме защиты САЗУ, как и в  схеме РУ-380, осуществляется наложением выпрямленного постоянного напряжения на сеть, находящуюся под нормальным рабочим напряжением. Схема защиты питается от феррорезонансного стабилизатора напряжения, что обеспечивает ее нечувствительность к колебаниям напряжения сети. Свойства схемы таковы, что реле реагирует только на быстрые изменения сопротивления изоляции (быстро развивающиеся повреждения, прикосновения человека) независимо от того, возникает при этом несимметрия или нет. При медленном снижении сопротивления изоляции оперативное напряжение уменьшается и оперативный ток не достигает тока срабатывания реле.

В дальнейшем вентильные схемы защитного отключения совершенствовались в направлении обеспечения автоматического регулирования дросселя-компенсатора емкостных токов на базе аппаратов типа УАКИ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Новые схемы устройств защитного  отключения с самоконтролем исправности элементов и резервированием отключающих аппаратов.

Дальнейшее  совершенствование аппаратуры защитного  отключения направлено на повышение  надежности её функционирования.

На основе принципиальной схемы (рисунок 2.29 страница 141) с учетом изложенных выше требований и с использованием известных в электротехнике методов выбора и расчета электрических параметров отработаны элементы принципиальных схем взрывобезопасных реле утечки типа РУ-127/220, РУ-380, РУ-660 соответственно для электрических сетей напряжением 127, 220, 380, 660 В.

Схема реле утечки с самоконтролем исправности  элементов на напряжение 127 и 220 В практически не отличается от основной принципиальной схемы.

Схемы реле утечки на напряжения 380 и 660 В (рис.1 5) отличается от схемы (рис. 1.6) главным образом наличием статического компенсатора емкостных токов утечки. Состоящего из дросселя L_k и конденсаторного фильтра присоединения C₁ – C₃, а также наличием прибора (килоомметра) для измерения сопротивления сети. Схемы реле утечки на напряжения 380 и 660 В (РУ-380 и РУ-660) подобны, поэтому рассмотрим лишь схему РУ-660.

 

Рис.1.6 Устройство защиты с самоконтролем, основанное на использовании оперативного постоянного тока.

В реле утечки РУ-660 к отпайкам автотрансформатора Т через токоограничивающие резисторы R1, R2, R3 присоединен трехфазный выпрямитель, образованный диодами V1, V2, V3, который через диод V4, резистор R9 и компенсирующий дроссель присоединен к корпусу реле утечки (зажиму з).

В нулевую точку  автотрансформатора T с целью повысить сопротивление схемы переменному току и для возможности осуществления деформации (повышения величины однофазной уставки по сравнению с трехфазной) включен дроссель L₀. Между дросселем и “землей» подключены токоограничивающие резисторы R13, R11, R8, килоомметр, регулировочный резистор R5, диод V5 и реле K.

Для уменьшения влияния колебания напряжения на величину уставок сопротивлений  срабатывания предусмотрен стабилитрон V8. Деформация уставок сопротивлений срабатывания осуществляется цепью, образованной диодами V6, V7 и резисторами R12, R11, R13. Взвод реле осуществляется кнопкой S1. Конденсатор C4, как и РУ-127, предназначен для устранения влияния переходных процессов, возникающих в сети, и для взвода измерительного реле K.

Проверка исправности реле утечки осуществляется с помощью кнопки S2, при нажатии на которую между фазой и землей создается однофазная утечка через резистор R4.

Один контакт реле K введен в цепь промежуточного реле K1, второй – в цепь сигнальной лампы H2.

Контакты реле K1, выведенные через проходные зажимы оболочки, предназначены для включения отключающей катушки автоматического выключателя или отключения нулевого расцепителя, если он будет применен в выключателе (второй контакт).

С помощью реле утечки можно предварительно до подачи напряжения в сеть измерить сопротивление изоляции магистрального кабеля (от трансформатора до распредпункта участка), не включая автоматического выключателя. Для этой цели нулевая точка автотрансформатора подключается через кнопку S3 и размыкающийся блок-контакт автоматического выключателя к одной из фаз отключаемого участка сети.