Подход к решению проблемы утечек в энергоэффективных шахтных электроприводах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачева

Подход к решению проблемы утечек в энергоэффективных шахтных электроприводах

аспирант Ложкин Иван Юрьевич

студент Киселев Алексей Викторович

студент Евстратов Андрей Эдуардович

Аннотация

Работа проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Проект «Разработка энергоэффективных средств управления электроприводами горных машин с учетом особенностей динамических режимов их работы в рамках создания энергосберегающих систем распределения и потребления электроэнергии» (шифр 2011-1.2.2-226-011).

Рассматриваются проблемы применения энергоэффективных асинхронных электроприводов с преобразователями частоты во взрывозащищенном рудничном исполнении. Произведен обзор и сравнительный анализ реле утечек отечественного и зарубежного производства. Сформулированы требования к реле утечки, которое должно применяться в асинхронных электроприводах с преобразователями частоты. Разработана принципиальная электрическая схема цифрового реле утечки.

Annotation

The problems of energy-efficient induction electric drives with frequency converters in mine explosion-proof design. Was carried out a review and comparative analysis of the leakage relay domestic and foreign production. The requirements were to leakage relay, which should be used in asynchronous motor drives with frequency inverters. Developed a circuit diagram of digital leakage relay.

По оценкам авторитетных специалистов [1] в Российской Федерации существует тенденция к увеличению доли использования угля в связи с возрастанием объемов потребляемой энергии. Это означает, что одной из составляющих стабильности энергетической ситуации в стране является безотказность и эффективность работы горнодобывающей техники, к которой относятся экскаваторы, буровые станки, очистные и проходческие комбайны, скребковые и ленточные конвейеры и многие другие типы установок. Разные типы горнодобывающей техники могут отличаться по принципу действия и конструктивным особенностям, однако, их объединяет работа в тяжелых условиях, где необходимо преодолевать резкопеременную нагрузку, и использование в них электрического привода.

Следует отметить, что электроприводы ряда горных машин строится на базе двигателей постоянного тока, однако большая часть электроприводов, особенно подземной горнодобывающей техники, строится на базе асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором в силу их большей надежности, простоты обслуживания, меньших габаритов и других преимуществ. При этом отмечается, что наиболее перспективным с точки зрения совершенствования шахтных электроприводов является применение регулируемых асинхронных двигателей [2, 3]. Только за счет внедрения преобразователей частоты в эксплуатирующиеся нерегулируемые шахтные электроприводы на конвейеры и машины разрушающего типа можно добиться повышения их энергоэффективности на 20-30 %.

Однако изготовление регулируемых асинхронных электроприводов с преобразователями частоты во взрывозащищенном рудничном исполнении сопряжено со сложными техническими задачами, связанными с защитой от токов утечки, охлаждением силовых полупроводниковых ключей, проблемой «длинного кабеля» и другими. Часть этих задач до сих пор в полной мере не решена и ограничивает применение энергоэффективных шахтных асинхронных электроприводов. Среди них ключевую роль играет защита от токов утечки на землю.

Суть проблемы заключается в высокой вероятности ложных срабатываний реле утечки, применяемых в качестве аппаратов защиты от утечек на землю в шахтных электрических сетях, причиной которых являются переходные процессы, вызываемые коммутацией полупроводниковых ключей в преобразователе частоты, особенно при большой емкости силовых жил питающих кабелей относительно земли. Емкостные токи утечки, вызванные зарядом-разрядом емкостей кабельной линии, являются значительными, и частота их следования соответствует частоте коммутаций, поэтому реле утечки может сработать даже при исправной изоляции кабелей. Это ставит техническую задачу селекции высокочастотных емкостных токов, для обеспечения бесперебойной работы энергоэффективных шахтных электроприводов.

В настоящее время на рынке шахтной автоматики представлены различные виды реле утечек на землю, как отечественных, так и зарубежных производителей, некоторые их которых представлены на рис. 1, однако все эти модели обладают своими достоинствами и недостатками.

Рис. 1. Реле утечки: а) РУ_1140; б) АЗУР-4; в) PFR, Moeller; г) RGU_10, Circutor.

Ярким примером отечественных реле утечки является серия РУ [4], выполненная из блоков на основе аналоговой техники. Принцип работы этих реле утечки, а также выбранная для реализации элементная база, является причиной ложных срабатываний при использовании данного устройства для защиты кабельных линий, питающих регулируемые асинхронные электроприводы с преобразователями частоты. Однако оно соответствует действующим отечественным правилам безопасности для шахтного оборудования и техническим требованиям к рудничному оборудованию, не пересматриваемым с 1988 года в направлении использования в электрооборудовании быстродействующих силовых полупроводниковых ключей, и не адаптированным под современные технические условия.

Существуют также отечественные реле утечки типов АЗАК и АЗУР [5], так же соответствующие действующим правилам безопасности. Эти аппараты защиты принципиально отличаются тем, что они оснащены устройством автоматической компенсации емкостной составляющей токов утечки, что делает их применимыми в шахтных сетях, содержащих силовые полупроводниковые элементы, в том числе взрывозащищенные преобразователи частоты.

Несомненным достоинством отечественных реле утечки является их цена, однако существенным недостатком в условиях высоких требований к уровню автоматизации подземных добывающих предприятий является то, что эти реле утечки не имеет в своей структуре микропроцессорных средств и не могут быть включены в промышленную информационную сеть для обмена данными с оператором.

В отличие от отечественных аналогов, большинство зарубежных реле утечки выполняется с использованием микроконтроллеров, современных способов и протоколов передачи данных и связи с оператором, а также имеют гораздо меньшие габариты. Как правило, зарубежные устройства защиты от токов утечки совмещают в себе множеств различных функций, имеют встроенные способы визуального отображения информации и средства для сбора, хранения и передачи различных данных о цепи, однако их параметры не соответствуют действующим техническим условиям [6]. Так, расчетный ток утечки в этих устройствах либо превышает, либо находится на границе допустимого значения. Зачастую эти устройства имеют недопустимо высокое время срабатывания.

Проведя анализ представленных на рынке реле утечки можно сделать вывод, что высокую перспективу внедрения имеет устройство, одновременно обеспечивающее защиту от токов утечки в шахтных сетях, содержащих преобразователи частоты, соответствующее действующим нормативным документам и включающее микропроцессорные устройства, для интеграции в системы автоматизации верхнего уровня.

Для создания такого устройства предлагается подход, включающий в себя быстродействующее измерение и оцифровку токов, протекающих по кабельной сети, и их последующую цифровую обработку. Данная обработка предполагает проведение цифровой фильтрации с разделением высокочастотных и низкочастотных составляющих, по результатам анализа которых делается вывод о наличии или отсутствии токов утечки на землю. С применением данного подхода был разработан прототип цифрового реле утечки, схема которого представлено на рис. 2.

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема цифрового реле утечки.

Цифровое реле утечки состоит из двух цепей: первичная или измерительная и вторичная, представленная в виде двухфазного двухполупериодного выпримителя, где в качестве нагрузки выступает изоляция кабеля. Первичная цепь состоит из двух ключей, подключенных в противофазе и микросхемы цифрового сигнального процессора (DSP), который выступает в роли упраляющего и измерительного устройства.

В случае нарушении целостности изоляции по ней будет протекать ток высокой частоты величиной 0-50 мА, тогда с микросхемы CSA-1V, являющейся датчиком тока, будет приходить пульсирущий сигнал, который будет отфильтрововаться от помех посредством DSP. После фильтрации DSP будет отправлять сигнал на внешное микропроцессорное устройство, имеющее протоколы связи с системами автоматизации, тем самым сообщая об аварии. асинхронный электропривод преобразователь частота

Серия предварительных экспериментов показала физическую возможность организации цифровой фильтрации сигналов с частотами, соответствующими коммутации ключей в полупроводниковых преобразователях частоты, в режиме реального времени. Таким образом, предлагаемый подход к решению проблемы утечек в энергоэффективных шахтных электроприводах показал свою применимость. На основе данного подхода готовится заявка на получение патента.

Литература

1. Тулеев А.М. Уголь России в XXI веке: Проблемы и решения / А. М. Тулеев, С. В. Шатиров. - М.: Коллекция «Совершенно секретно», 2002. - 304 с.

2. Бабокин Г. И. Развитие теории, методы и средства управления и защиты электромеханических систем горных машин с преобразователями частоты: автореф. дис. д-ра техн. наук. - М., 1996. - 35 с.

3. Вареник Е. А. Перспективы развития электропривода и электроснабжения для угольных шахт и рудников / Е. А. Вареник и др. // Электротехника. - 2004. - № 12. - С. 46-51.

4. ТУ 12.48.081-79. Реле утечки РУ-1140.

5. ТУ У 31.2-13505026-007-2009. Аппарат защиты от утечек тока на землю типа АЗУР-4.

6. ГОСТ 22929-78. Аппараты защиты от токов утечки рудничные для сетей напряжением до 1200 В. Общие технические условия.

Размещено на Allbest.ru