Zabezpieczenia upływowe w sieciach z przemiennikami częstotliwości w podziemiach kopalń

Transkrypt

1 dr inż. ADAM MARK Politechnika Śląska, Katedra lektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa Zabezieczenia uływowe w sieciach z rzemiennikami częstotliwości w odziemiach koalń W artykule rzedstawiono wływ rzemiennika (załączonego bezośrednio do sieci koalnianej niskiego naięcia) na racę centralnych zabezieczeń uływowych. Wykazano konieczność stosowania dwubiegunowego członu omiaru rądu. Wykazano zmniejszoną rzydatność stosowania źródła stałonaięciowego w rzyadku odwójnego doziemienia. Przedstawiono możliwość usunięcia tej niedogodności orzez zastosowanie rzemiennych naięć omiarowych o kształcie trójkątnym lub rostokątnym. 1. WSTĘP Przeisy wymagają monitorowania stanu izolacji w sieciach IT niskiego naięcia. Wymagania dotyczące stanu izolacji w sieciach niskiego naięcia określają dwie normy: PN-N :004 (Bezieczeństwo elektryczne w niskonaięciowych sieciach elektroenergetycznych o naięciach rzemiennych do 1 kv i stałych do 1,5 kv Urządzenia rzeznaczone do srawdzania, omiarów lub monitorowania środków ochronnych Część 8: Urządzenia do monitorowania stanu izolacji w sieciach IT) oraz w dołowych sieciach koalnianych PN-G-4040:1996 (Środki ochronne i zabezieczające w elektroenergetyce koalnianej Zabezieczenia uływowe Wymagania i badania). Na odstawie rzeisów dotyczących bezieczeństwa w dołowych sieciach niskiego naięcia wymagane jest stosowanie centralnych zabezieczeń uływowych (w skrócie CZU). Centralne zabezieczenia uływowe winny działać zarówno w rzyadku niesymetrycznego jak i symetrycznego obniżenia się rezystancji doziemnej. Zabezieczenia te budowane są jako jednoarametrowe (rezystancja izolacji doziemnej) lub wieloarametrowe (mierzone są dodatkowo n. ojemność doziemna oraz naięcie zerowe). Zabezieczenia te zasadniczo rzeznaczone są do kontroli sieci, do których nie są załączone rzemienniki lub rzekształtniki. Zastosowanie rzemienników wływa na racę klasycznych zabezieczeń uływowych niskiego naięcia. Przykładowy (uroszczony) schemat ideowy zabezieczenia ziemnozwarciowego w sieci niskiego naięcia, do której odłączono układ rzemiennikowy wraz z obciążeniem w ostaci silnika indukcyjnego rzedstawia rysunek 1. Na schemacie rzedstawiono trzy sosoby srzęgania układu omiarowego z siecią: a) orzez rezystor dołączony do unktu zerowego transformatora (rezystor R 1 ), b) międzyfazowe (rezystory R 1, R, R d ), c) trójfazowe (rezystory R 31 R 33, R d ). Rozwiązanie ierwsze jest najkorzystniejsze w rzyadku kiedy dostęny jest unkt zerowy transformatora oraz kiedy mierzony jest jeden arametr rezystancja doziemna. W rzyadku symetrii sieci zasilającej, moc wydzielana na rezystorze jest niewielka. Rozwiązanie drugie może być stosowane w rzyadku zabezieczeń kilkuarametrowych (wtedy zamiast rezystorów stosowane są imedancje). Układ ten charakteryzuje się tym, że na jego wyjściu ojawia się duża składowa rzemienna (ołowa naięcia fazowego). Układ ten może być stosowany w układach jednofazowych i rądu stałego. Rozwiązanie trzecie charakteryzuje się tym, że dla symetrycznych obciążeń doziemnych, składowa rzemienna w unkcie neutralnym jest równa zero. Niestety układ ten obiera o 1/3 większą moc niż układ drugi.

2 Nr (468) LUTY ~ + = Cd1 Cd Cd3 = - ~ M 3~ R 1 R 1 R R 31 R 33 R3 Rd1 Rd Rd3 R d+ R d- C f1 C f C f3 R f1 R f R f3 a) b) c) R d L i Rys. 1. Schemat ideowy zabezieczenia ziemnozwarciowego w sieci z rzemiennikiem Naięcie omocnicze orzez filtr dolnorzeustowy, oarty na dławiku L, dołączone jest do jednego ze wsomnianych układów srzęgających. Sygnałem wyjściowym układu jest rąd obwodu omiarowego i, mierzony ośrednio orzez omiar sadku naięcia na rezystorze. Zastęczą rezystancję doziemną wyznacza się metodą techniczną, bądź w układzie omomierza szeregowego. Korzystniejsza i dokładniejsza jest metoda techniczna omiaru rezystancji doziemnej (wykorzystuje się metodę orawnie mierzonego rądu). Wartość rezystancji doziemnej w takim układzie wyznacza się na odstawie zależności: R d rezystancja doziemna, R rezystancja szeregowa. R d = - ( R + Rb ) (1) I Projektanci tego tyu urządzeń zasadniczo uwzględniają jedynie ojemności doziemne (C d1 C d3 ) oraz rezystancje doziemne (R d1 R d3 ) w sieci rądu rzemiennego, natomiast nie biorą od uwagę roblemów jakie mogą wyniknąć w czasie racy dołowej sieci niskiego naięcia, do której odłączono układ rzemiennikowy wraz z obciążeniem w ostaci silnika indukcyjnego. W artykule zostanie wykazane, że tego tyu układy mogą rowadzić do ojawienia się niekorzystnych sytuacji skutkujących owstaniem zagrożeń, które zwykłe CZU nie wykrywają lub wystąieniem zbędnych wyłączeń (omimo, że rezystancja doziemna jest znacznie większa od rezystancji granicznej wynikającej z normy PN-G 4040). Wsomniane roblemy mogą się ojawić ze względu na wystęowanie rezystancji doziemnych w sieci rądu stałego R d+, R d (za rostownikiem, a rzed falownikiem) oraz rezystancji i ojemności doziemnych na wyjściu falownika (R f, C f ).. ANALIZA PRACY ZABZPICZŃ UPŁY- WOWYCH W DOŁOWJ SICI NISKIGO NAPIĘCIA OBCIĄŻONJ PRZMINNIKAMI Najważniejszym zadaniem centralnego zabezieczenia uływowego (CZU) jest jak najszybsze wykrycie ojawiającej się awarii i nastęnie wyłączenie zasilania. Tego tyu zabezieczenia są bowiem stosowane nie tylko ze względu na konieczność zaewnienia ochrony rzeciworażeniowej, ale również z konieczności rzeciwdziałania zagrożeniom ożarowym i wybuchowym. W czasie normalnej racy zabezieczenia uływowego orawność jego funkcjonowania mogą zakłócać nastęujące czynniki: a) stan nieustalony w sieci odczas załączania zasilania oraz obciążenia, b) doziemienie niesymetryczne w sieci rądu zmiennego, c) doziemienie w obwodzie rądu stałego, d) doziemienie symetryczne na wyjściu falownika, e) doziemienie niesymetryczne na wyjściu falownika. W celu rzerowadzenia analizy rzytoczonych sytuacji, rzyjęto (na bazie schematu z rysunku 1) uroszczony schemat zastęczy (rys. ). Centralne zabezieczenie uływowe jest na nim rerezentowane rzez gałąź, w skład której wchodzą rezystancje: szeregowa R i omiarowa, dławik wygładzający L oraz naięcie omocnicze. Stan izolacji o

3 3 MCHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA 3h R 1~ ~ 3~ L i + - f1 f f3 R d1 C d1 R d C d R d3 C d3 R d+ R d- R f1 C f1 R f C f R f3 C f3 Rys.. Uroszczony, zastęczy schemat ideowy zabezieczenia ziemnozwarciowego uwzględniającego różne źródła stanów awaryjnych 3h a b c R V o + Rd+ R V o L i Rdz Cdz i uo Rd- L i Rdz Cdz Rfz Cfz R - Rys. 3. Uroszczony schemat zastęczy: a) dla niesymetrycznego doziemienia ojawiającego się w sieci naięcia rzemiennego, b) dla doziemienia w obwodzie stałorądowym, c) dla doziemienia ojawiającego się na wyjściu falownika szczególnych faz o stronie sieci naięcia rzemiennego rerezentują rezystancje doziemne R d i ojemności doziemne C d. Klucze 1 oraz oisują stany załączenia (wyłączenia) gru zaworów rostownika, zaś klucze 3, 4, 5 oisują fazy, w których wyzwalane są zawory falownika. Stan izolacji w obwodzie stałorądowym (szyn naięcia stałego + i ) oisują rezystancje doziemne R d+,- zaś stan izolacji na wyjściu falownika rezystancje doziemne R f oraz ojemności doziemne C f. Na schemacie tym onadto uwzględniono ojawienie się trzeciej harmonicznej w naięciu wyjściowym rostownika. Każde z możliwych miejsc ojawienia się doziemienia zostanie rozatrzone osobno, bez uwzględniania stanu izolacji w ozostałych miejscach. Pozwoli to określić zależności jakie wystęują omiędzy ogorszeniem się stanu izolacji w oszczególnych miejscach rozatrywanego układu, a wynikającą z takiego stanu, zmianą oziomezieczeństwa. Pozostaje też do rozstrzygnięcia, jaki wływ ma miejsce ojawienia się doziemienia na orawność działania centralnego zabezieczenia uływowego. Jak odano we wstęie, działanie centralnego zabezieczenia uływowego, w uroszczeniu, oiera się na kontroli naięcia wystęującego na boczniku omiarowym (ośrednio rądu). Wobec tego, ojawienie się dodatkowych doziemień w obwodzie rądu stałego oraz na wyjściu falownika może rowadzić do sytuacji, w której zabezieczenie nie zadziała (omimo, że rezystancja izolacji jest mniejsza od zakładanego normami oziomu) bądź też może rowadzić do zbędnych wyłączeń (w sytuacji gdy rezystancja izolacji nie rzekroczyła zakładanego rogu zadziałania zabezieczenia). W ierwszym rzyadku zabezieczenie nie sełniałoby swojego zadania (brak zadziałania), zaś w drugim rzyadku, zbędne wyłączenia rowadziłyby do ojawienia się zbędnych rzerw w racy (wymierne straty ekonomiczne). Rozatrując roblematykę ojawiających się doziemień w dołowych sieciach niskiego naięcia bierze się od uwagę rzede wszystkim doziemienia w sieci naięcia rzemiennego. Takie odejście do roblemu doziemień wynika z założenia, że w takiej sieci jest największe rawdoodobieństwo ojawienia się doziemienia (długość kabli w takiej sieci jest znacznie większa, w orównaniu do ozostałych miejsc, w których mogą ojawić się doziemienia). Jeśli założymy, że doszło do niesymetrycznego doziemienia w sieci naięcia rzemiennego (w układzie z rysunku 1) to schemat zastęczy z rysunku można urościć do ostaci okazanej na rysunku 3a:

4 Nr (468) LUTY Na odstawie schematu z rysunku 3a można założyć, że naięcie V o (rzy założeniu symetrii ojemności doziemnej) oisane jest zależnością: V o» f () R 1+ X V o naięcie zastęcze, f wartość skuteczna naięcia fazowego, R dz zastęcza rezystancja doziemna, X dz zastęcza reaktancja doziemna. Zgodnie z zależnością () zastęcze naięcie V o maleje wraz ze wzrostem zastęczej rezystancji doziemnej. Norma PN-G-4040 rzewiduje różne wartości rezystancji nastawczej zabezieczenia dla różnych naięć zasilania. Dla sieci 1 kv wartość rezystancji nastawczej wynosi 30 kw. Przy tej rezystancji oraz symetrycznych ojemnościach doziemnych (C d = 1 mf na fazę), naięcie to jest około 30 razy mniejsze od wartości skutecznej naięcia fazowego sieci bądź jedynie około razy mniejsze od wartości skutecznej naięcia fazowego sieci (dla R dz = 1 kw). Na tej odstawie można określić wartość rądu (ochodzącą od tej składowej naięcia) i jej udział w rądzie omiarowym i. Wartość składowej rzemiennej w rądzie omiarowym może być wielokrotnie większa od składowej stałorądowej (w rzyadku małych rezystancji doziemnych). Poważniejsze konsekwencje może mieć ojawienie się doziemienia w obwodzie rądu stałego (rys. 3b). Doziemienie takie może rowadzić do owstania dwóch niekorzystnych sytuacji: owstałe doziemienie może nie zostać wykryte rzez CZU albo owstałe doziemienie może rowadzić do zbędnych wyłączeń CZU [1, ]. Na odstawie schematu zastęczego rzedstawionego na rysunku 3b, wartość rądu omiarowego łynącego w obwodzie omiarowym wynosi: dz dz ± ( + È -) I = (3) R + R + R b d ( + È -) + lub naięcie na wyjściu gruy katodowej lub anodowej rostownika. Z zależności tej wynika, że ojawienie się doziemienia w jednej z szyn rowadzić będzie do wielokrotnego wzrostu rądu omiarowego i, a tym samym CZU zadziała rzy znacznie większej wartości rezystancji doziemnej (zbędne wyłączenia). Doziemienie szyny dodatniej (rys. 3b) sowoduje zmianę kierunku rzeływu rądu omiarowego i i jeśli roducent CZU nie rzewidział takiej sytuacji to zabezieczenie nie zadziała. Jeżeli dodatkowo dojdzie do doziemienia w obwodzie rądu rzemiennego (rąd i mniejszy od rogu zadziałania CZU) to zadziałanie zabezieczenia nastąi rzy mniejszej wyadkowej rezystancji doziemnej [1, ]. Groźniejsze w skutkach może być ojawienie się odwójnego doziemienia w obwodzie stałorądowym. W sytuacji, w której rąd omiarowy obniży się do wartości bliskich zeru (dla U o bliskiego ), zabezieczenie nie zadziała, omimo obniżenia się rezystancji doziemnej oniżej rezystancji nastawczej [1, ]. W celu rozwiązania roblemów, związanych z wielokrotnym doziemieniem, należy zastosować w obwodzie omiarowym rzemienne naięcia omocnicze. Jako naięcia omocnicze mogą być wykorzystane naięcia o kształtach: trójkątnym i rostokątnym [1, ]. Użycie rzemiennych naięć omocniczych wymusza owstanie cyklicznych stanów rzejściowych. W związku z tym wymagane jest zastosowanie małej częstotliwości źródła. Częstotliwość naięcia omocniczego owinna być na tyle mała, aby zaniknął stan rzejściowy (związany ze stałą czasową obwodu R R d, C f.) w czasie ołowy okresu tego naięcia. Należy rzyjąć, że stan rzejściowy zanika o 5 do 6 stałych czasowych obwodu. Z owyższego wynika, że okres naięcia omiarowego owinien wynosić 10 do 1 stałych czasowych obwodu. Pojemności doziemne sieci mogą być różne, w związku z tym zachodzi otrzeba adatacji okresu naięcia omiarowego (w celu uzyskania minimalizacji czasu zadziałania). Zabezieczenie, wykorzystujące rzemienne naięcie omiarowe, owinno więc być zabezieczeniem wieloarametrowym. Dodatkowo częstotliwość sygnału omiarowego owinna być dwa razy mniejsza od minimalnej częstotliwości wyjściowej falownika. Dla rzebiegu o kształcie rostokątnym obowiązuje: R ( ) d = - R + Rb I - I + - +, - dodatnia, ujemna wartość naięcia omiarowego, I +, I - wartość rądu omiarowego na końcu dodatniej, ujemnej wartości naięcia omiarowego. Częstotliwość źródła naięcia omocniczego z reguły nie rzekracza 0,5 Hz. Charakterystyczną cechą (wadą) takiego rozwiązania staje się więc (4)

5 34 MCHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA względnie duże oóźnienie zadziałania zabezieczenia, wynoszące nawet kilka sekund. Doziemienie może również ojawić się na wyjściu falownika. Podobnie, jak to miało miejsce w rzyadku doziemienia w obwodzie sieci rądu rzemiennego, rzy analizie skutków ojawienia się takiego doziemienia uwzględnia się zastęczą rezystancję doziemną na wyjściu falownika R fz oraz zastęczą ojemność doziemną na wyjściu falownika C fz. Schemat z rysunku, o uwzględnieniu ojawienia się składowej trzeciej harmonicznej w rądzie omiarowym i oraz zastęczego naięcia na wyjściu falownika uroszczono do ostaci schematu z rysunku 3c. Objawy wystąienia doziemienia na wyjściu falownika są różne i zasadniczo zależą od rodzaju doziemienia (symetryczne lub niesymetryczne) oraz relacji zachodzącej omiędzy zastęczą ojemnością doziemną na wyjściu falownika a zastęczą ojemnością doziemną w sieci naięcia rzemiennego. Zależność na naięcie V o ma analogiczną ostać jak w rzyadku wystąienia doziemienia w sieci naięcia rzemiennego: V o» fal (5) R fz 1+ X fal wartość skuteczna naięcia fazowego na wyjściu falownika. Należy jednak zauważyć, że naięcie V o jest w tym rzyadku zależne nie tylko od zastęczej rezystancji doziemnej R fz oraz ojemności doziemnej C fz, ale również od amlitudy i częstotliwości naięcia wyjściowego falownika fal (w rzyadku doziemienia w sieci rądu rzemiennego f = 50 Hz, a f = U n ). fz 3. BADANIA SYMULACYJN Analizę zagrożeń, owstałych w wyniku możliwości ojawienia się doziemień w różnych miejscach elementów zasilania odbiorników w odziemiach koalń, rzerowadzono w oarciu o model układu rzedstawionego na rysunku 1. W ierwszej kolejności wykonano symulację odania naięcia do sieci o dużej ojemności doziemnej wraz z CZU (rys. 4). Zgodnie z normą, dla sieci 1 kv, rzy rezystancji doziemnej R dz = 1 kw oraz ojemności doziemnej C dz = 3 mf czas zadziałania centralnego zabezieczenia uływowego (CZU) owinien być krótszy od 70 ms. Z załączonych badań symulacyjnych obrazujących stan załączenia zabezieczenia do sieci o arametrach zastęczych R dz i C dz (rys. 4) wynika, że o 70 ms doszłoby do zadziałania CZU (wyłączenia), nawet gdyby rezystancja doziemna wynosiła R dz = 45 kw. Rys. 4. Przebiegi naięć czujnika rądu dla: R dz =1 kw i C dz =3 mf, R dz =30 kw i C dz =3 mf, R dz =45 kw i C dz =3 mf, R dz =45 kw i C dz =1,5 mf W kolejnym etaie rzerowadzono badania związane z możliwością ojawienia się odwójnych doziemień. Pojawienie się nawet dużej rezystancji doziemnej (znacznie większej od rezystancji nastawczej) o stronie naięcia stałego owoduje nieotrzebne zadziałanie CZU (w rzyadku, gdy układ reaguje na oba kierunki rzeływu rądu omiarowego). Podwyższenie naięcia omocniczego zwiększa wartość rądu omiarowego dla doziemienia w sieci naięcia rzemiennego, ale jednocześnie, w rzyadku zmienności naięcia stałego (charakterystycznej dla sterowanych układów rzekształtnikowych), oszerza się strefa, w której zabezieczenie nie zadziała. Wystąienie odwójnego doziemienia o stronie naięcia stałego może skutkować brakiem zadziałania zabezieczenia CZU nawet, gdyby układ reagował na oba kierunki rzeływu rądu omiarowego i. Na funkcjonowanie zabezieczenia CZU mają także wływ doziemienia ojawiające się na wyjściu falownika. Objawy wystąienia takich doziemień uzależnione są od charakteru doziemienia (doziemienie symetryczne lub niesymetryczne) oraz relacji wystęującej omiędzy zastęczą ojemnością doziemną w obwodzie rądu rzemiennego C dz a zastęczą ojemnością doziemną na wyjściu falownika C fz. Przyadek doziemienia jednej z faz na wyjściu falownika (doziemienie niesymetryczne) oraz dla C dz > C fz (czyli tak jak to ma zazwyczaj miejsce) obrazuje rysunek 5. Konsekwencją zaistnienia takiego doziemienia jest wzrost udziału trzeciej harmonicznej

6 Nr (468) LUTY (150 Hz) oraz ojawienie się składowej o częstotliwości wyjściowej falownika (10 Hz) w rzebiegu naięcia na boczniku omiarowym. W rzyadku odwrócenia relacji omiędzy C dz i C fz, tzn. C dz < C fz w rzebiegu naięcia na boczniku omiarowym, a tym samym rądzie omiarowym i, uwidacznia się wzrost udziału trzeciej harmonicznej w stanie normalnej racy zabezieczenia CZU. Rys. 5. Przebiegi naięć: międzyrzewodowego u, fazowego u f oraz czujnika rądu rzy ojawieniu się niesymetrycznego doziemienia na wyjściu falownika dla R f1 =1 kw i C dz1 > C fz1 zaobserwowano ojawienia się składowej związanej z częstotliwością wyjściową falownika. 4. PODSUMOWANI I WNIOSKI W górnictwie owszechnie stosowane są centralne zabezieczenia uływowe (CZU) w oarciu o stałe naięcie omocnicze. Takie rozwiązania charakteryzują się nadmierną czułością rzy ojedynczym doziemieniu w obwodzie rądu stałego oraz możliwością wystąienia braku reakcji zabezieczenia w rzyadku zaistnienia odwójnych doziemień w obwodach stałorądowych. Ponadto człon omiarowy CZU owinien reagować na rzeływ rądu w obu kierunkach. Najważniejszą zaletą takiego rozwiązania jest możliwość uzyskania krótkiego czasu zadziałania zabezieczenia. Jeżeli jednak wymaga się by układ orawnie działał oraz wykrywał stany doziemień w obwodach stałorądowych, to należy zastosować CZU oarte na rostokątnym rzemiennym naięciu omocniczym (CZU oarte na naięciu omocniczym o kształcie trójkątnym ma gorsze właściwości dynamiczne dłuższy czas zadziałania). Niezależnie od kształtu rzemiennego naięcia omocniczego, zabezieczenia takie charakteryzują się znacznie dłuższym oóźnieniem zadziałania (kilka sekund). Jest to czas wielokrotnie dłuższy, w orównaniu do zabezieczeń oartych na stałym naięciu omiarowym. W rzyadku użycia rzemienników częstotliwości, dodatkowo ojawia się roblem tłumienia zakłóceń (w sygnale omiarowym) o częstotliwości wyjściowej falownika (1 do 60 Hz), co wymaga zastosowania filtrów cyfrowych. Rys. 6. Przebiegi naięć: fazowych u f1, u f, u f3 oraz czujnika rądu rzy ojawieniu się symetrycznego doziemienia na wyjściu falownika dla R f1 =3 kw, C dz1 > C fz1 Zwiększenie ojemności doziemnej C dz w obwodzie naięcia rzemiennego (w orównaniu do rzyadku z rysunku 5) rzyczynia się do ograniczenia udziału trzeciej harmonicznej w rądzie omiarowym i (w stanie normalnej racy zabezieczenia CZU). Jednakże w sytuacji ojawienia się doziemienia w jednej z faz falownika wzrost ojemności C dz nie ma większego wływu na amlitudę rądu omiarowego i o częstotliwości wyjściowej falownika (10 Hz). Wystąienie symetrycznego doziemienia na wyjściu falownika (rys. 6) objawia się jedynie wzrostem trzeciej harmonicznej w rądzie omiarowym i. W rądzie wyjściowym nie Literatura 1. Marek A.: Wływ rzekształtnika na racę centralnych zabezieczeń uływowych w dołowych sieciach niskiego naięcia, ZN Górnictwo nr 86, str , Gliwice Marek A., Marek B.: Wływ rzekształtników na racę centralnych zabezieczeń uływowych w dołowych sieciach niskiego naięcia, XII KKG, str , Szczyrk Murray J.: Alication and Oeration of Insulation Monitors in Unearthed (floating-it) Rail Signal Power Systems. Power Distribution for Signalling Systems, 007. The IT Seminar on Page(s): , Sznura R.: Ochrona ziemnozwarciowa w górniczych sieciach niskiego naięcia zabezieczenia uływowe tyu RRgFx/M. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa nr 8, str. 8-1 Katowice, Praca naukowo-badawcza NB-57/RG1/76.: Badanie struktury i charakteru zakłóceń oraz otymalizacja systemów zabezieczeń ziemnozwarciowych, Gliwice (nieublikowana). 6. Method and aaratus for insulation monitoring in unearthed DC and AC networks.: Ois atentowy P B1. Recenzent: dr inż. Sergiusz Boron