Wp³yw poœrednich przemienników czêstotliwoœci na pracê zabezpieczeñ up³ywowych w do³owych sieciach kopalnianych

Transkrypt

1 Wpływ MINING pośrenich INFORMATICS, przemienników ATOMATION częstotliwości na AND pracę ELECTRICAL zabezpieczeń upływowych... ENGINEERING No. 3 (531) ADAM MAREK Wp³yw poœrenich przemienników czêstotliwoœci na pracê zabezpieczeñ up³ywowych w o³owych sieciach kopalnianych W artykule przestawiono zaganienia otyczące pracy zabezpieczeń upływowych w ołowych sieciach kopalnianych zawierających obciążenia, w których skła wchozą przemienniki częstotliwości. Wykazano możliwość nieprawiłowego ziałania zabezpieczeń upływowych w przypaku wystąpienia obniżenia rezystancji oziemnej w obwozie prąu stałego. Słowa kluczowe: centralne zabezpieczenie upływowe (CZ), rezystancja oziemna, pojemność oziemna, pośreni przemiennik częstotliwości 1. TYPOWE ROZWI ZANIA ZABEZPIECZEÑ P YWOWYCH żywane powszechnie w polskim górnictwie zabezpieczenia upływowe przeznaczone o stosowania w sieci ołowej ( f n = 50 Hz) możemy pozielić na zabezpieczenia oparte na stałym oraz zmiennym źróle pomocniczym. Zaaniem tych urzązeń jest wyłączenie spo napięcia pracujących fragmentów sieci oraz obiorników (lub sygnalizacja wspomnianej sytuacji), w których oszło o obniżenia się rezystancji oziemnej poniżej wartości progowej, określonej przez właściwe normy. Dostępne na rynku zabezpieczenia upływowe najczęściej oparte są na stałym źróle pomocniczym. Stosowane są zarówno zabezpieczenia wykorzystujące stałe napięcie pomocnicze, jak i stały prą pomocniczy. Niezależnie o tego, czy wielkością mierzoną jest prą, czy napięcie, to informację o stanie izolacji uzyskuje się na postawie napięcia pomiarowego porównywanego z wartością oniesienia (opowiaającą progowej rezystancji zaziałania zabezpieczenia upływowego). W zabezpieczeniach opartych na stałym napięciu pomocniczym (rys. 1) jest to napięcie u b mierzone na boczniku R b, a wartość rezystancji oziemnej R określa zależność: E p R = Rb ( Rp1 + Rp + Rb + Rl) (1) b gzie: R wartość zastępczej rezystancji oziemnej [Ω], E p wartość napięcia źróła pomocniczego zabezpieczenia upływowego [V], b wartość śrenia napięcia pomiarowego mierzonego na boczniku R b [V], R b wartość rezystancji bocznika pomiarowego [Ω], R p1, R p wartości rezystancji szeregowych zabezpieczenia upływowego [Ω], R l wartość zastępczej rezystancji szeregowej ławika [Ω]. Rys. 1. proszczony schemat zastępczy zabezpieczenia upływowego opartego na stałym napięciu pomocniczym proszczony schemat zastępczy zabezpieczenia upływowego opartego na stałym napięciu pomocniczym

2 16 A. Marek zawiera również elementy służące o filtrowania przebiegu napięcia pomiarowego (pojemności konensatorów filtrujących C F, C A oraz inukcyjność ławika szeregowego L l ) oraz pozostałe zastępcze parametry kontrolowanej sieci: zastępczą pojemność oziemną sieci C i zastępcze napięcia zakłócające (związane z asymetrią: pojemności oziemnych sieci s1 i rezystancji oziemnych s ). W przypaku zabezpieczeń opartych na stałym prązie pomocniczym najczęściej spotyka się wa rozwiązania: zabezpieczenia pracujące w ukłazie omomierza szeregowego (rys. ) oraz w ukłazie omomierza równoległego (rys. 3). W pierwszym ze wspomnianych rozwiązań wielkością mierzoną jest napięcie pomiarowe u p występujące na zaciskach źróła zastępczego prąu pomocniczego. Stan izolacji sieci opisuje zależność [1]: R = R + R + R () p I p b1 b l ( ) gzie oatkowo w porównaniu z przenim schematem pojawiły się wielkości: R b1, R b wartości rezystancji ioowej bariery ochronnej [Ω], p wartość śrenia napięcia pomiarowego zabezpieczenia upływowego [V], I p wartość prąu pomocniczego zabezpieczenia upływowego [A], C A, C F wartości pojemności filtrujących zabezpieczenia upływowego [F]. Rys.. proszczony schemat zastępczy zabezpieczenia upływowego opartego na stałym prązie pomocniczym pracującego w ukłazie omomierza szeregowego Drugi wariant zabezpieczeń upływowych opartych na stałym prązie pomocniczym (w ukłazie omomierza równoległego) zakłaa pomiar napięcia na postawie przepływu prąu pomiarowego przez rezystor pomiarowy R V, który jest włączony równolegle o źróła prąu pomocniczego (rys. 3). Przestawione rozwiązanie pozwala zachować większą czułość w zakresie rezystancji istotnych z punktu wizenia poprawności zaziałania zabezpieczenia (mniejszych o około wu- o trzykrotnej wartości rezystancji nastawczej zabezpieczenia) oraz mniejszą czułość w zakresie użych rezystancji (ograniczenie maksymalnej wartości napięcia pomiarowego). Rys. 3. proszczony schemat zastępczy zabezpieczenia upływowego opartego na stałym prązie pomocniczym pracującego w ukłazie omomierza równoległego Wartość mierzonej rezystancji oziemnej kontrolowanej sieci la zabezpieczeń upływowych z pomocniczym źrółem prąowym pracujących w ukłazie omomierza równoległego, wyznaczanej z większą czułością (bez uwzglęnienia rezystancji R I ), opisany jest zależnością []: R Rv = R I p Rv 1 p p (3) gzie (w porównaniu z przenimi schematami): p wartość śrenia napięcia pomiarowego zabezpieczenia upływowego [V], R V wartość rezystancji równoległej zabezpieczenia upływowego [Ω]. Zabezpieczenia upływowe oparte na stałym prązie pomocniczym (niezależnie czy pracują w ukłazie omomierza szeregowego, czy równoległego) nie naają się o wykrywania stanów awaryjnych pojawiających się w obwoach stałoprąowych. Przyczyną tego jest brak możliwości prowazenia prawiłowych pomiarów rezystancji oziemnej przy obu kierunkach prąu zakłóceniowego. Poza zabezpieczeniami wykorzystującymi stałe źróło pomocnicze spotyka się również urzązenia oparte na zmiennym napięciu pomocniczym. Dostępne na rynku są (lub były) rozwiązania oparte na zmiennym napięciu pomocniczym o kształcie prostokątnym (rys. 4) lub trójkątnym. Zmieniając okresowo biegunowość napięcia E p, uzyskuje się wie wartości napięcia śreniego b na rezystorze pomiarowym R b. Śrenia war-

3 Wpływ pośrenich przemienników częstotliwości na pracę zabezpieczeń upływowych tość różnicy tych napięć bav pozbawiona jest wpływu napięcia zakłócającego obwou stałoprąowego o. W tych warunkach wartość mierzonej rezystancji oziemnej opisana jest taką samą zależnością jak w przypaku zabezpieczeń upływowych ze stałym napięciem pomocniczym: Ep R = Rb ( Rp1 + Rp + Rb + Rl) (4) bav Częstotliwość takiego zmiennego źróła pomocniczego nie może być zbyt uża ze wzglęu na stany przejściowe pojawiające się poczas zmiany biegunowości napięcia. Stała czasowa obwou komutacyjnego zależy o zastępczej pojemności, rezystancji i inukcyjności ukłau (mogą się również pojawić obwoy rezonansowe). W obwoach RC stan ustalony uzyskuje się po czasie łuższym o czterech stałych czasowych. W typowych warunkach kopalnianych okres źróła pomocniczego nie powinien być krótszy o około 3 s. Biorąc po uwagę obowiązującą normę, należy stwierzić, że jest to istotna waa tego typu rozwiązań. Pomijając ten fakt, zabezpieczenia upływowe oparte na przemiennym napięciu pomocniczym mogą prawiłowo wykrywać przypaki obniżenia rezystancji oziemnej w sieciach z pośrenimi przemiennikami częstotliwości. Dalsza analiza współpracy zabezpieczeń upływowych z sieciami obciążonymi pośrenimi przemiennikami częstotliwości bęzie otyczyć zabezpieczeń upływowych opartych na stałym napięciu pomocniczym. Zabezpieczenia tego typu mogą pracować przy obu kierunkach prąu pomiarowego (zmiana kierunku przepływającego prąu pomiarowego może być wywołana obniżeniem rezystancji oziemnej w obwozie stałoprąowym). Pojawienie się w obwozie pomiarowym oatkowego napięcia stałego prawopoobnie spowouje, że błęnie zostanie wyznaczona (pomiarowo) wartość wypakowej rezystancji oziemnej. Należy więc określić to, jakie skutki wywoła pojawienie się oatkowego stałego napięcia zakłócającego na poprawną pracę zabezpieczenia. Problem ten rozwiązuje zastosowanie zabezpieczenia upływowego z prostokątnym kształtem napięcia pomocniczego o częstotliwości mniejszej o minimalnej częstotliwości wyjściowej przemiennika, w którym pomiar byłby prowazony w przypaku obu kierunków napięcia pomocniczego.. ODDZIA YWANIE POŒREDNICH PRZEMIENNIKÓW CZÊSTOTLIWOŒCI NA PRACÊ ZABEZPIECZEÑ P YWOWYCH Rys. 4. proszczony schemat zastępczy zabezpieczenia upływowego opartego na przemiennym, prostokątnym napięciu pomocniczym Postęp technologiczny w ziezinie proukcji zaworów energoelektronicznych, rozwój energoelektroniki oraz meto sterowania zaworami energoelektronicznymi wpływa na coraz częstsze stosowanie przekształtników energoelektronicznych (głównie prostowników i przemienników) o zasilania różnych obiorników, również w ołowej sieci kopalnianej. W tej sytuacji zabezpieczenia upływowe powinny wykazywać skuteczność ziałania nie tylko w samej sieci kopalnianej prąu przemiennego (na wejściu przemienników częstotliwości), ale również powinny wykrywać obniżenie rezystancji oziemnej w obwoach pośreniczących przemienników częstotliwości (obwoy stałoprąowe) oraz na wyjściu przemienników częstotliwości (na wyjściu falowników). Biorąc po uwagę fakt, że zabezpieczenia upływowe są najczęściej instalowane w stacjach transformatorowych, urzązenia te powinny wykrywać obniżenie rezystancji oziemnej kolejno: w ołowej sieci kopalnianej, w obwozie pośreniczącym przemiennika częstotliwości oraz na wyjściu falownika (rys. 5). Na rysunku 6 pokazano schemat zastępczy uwzglęniający sieć zasilającą wraz z połączonym o niej pośrenim przemiennikiem częstotliwości oraz zabezpieczenie upływowe mające kontrolować stan izolacji całej sieci (wraz z przemiennikiem częstotliwości). Schemat ten uwzglęnia najważniejsze parametry kontrolowanych fragmentów sieci (prze przemiennikiem częstotliwości, w obwozie pośreniczącym prąu stałego i na wyjściu przemiennika częstotliwości) oraz parametry samego zabezpieczenia upływowego opartego na stałym napięciu pomocniczym. Założono, że analiza zolności wykrywania (przez zabezpieczenie upływowe) obniżenia rezystancji oziemnej w poszczególnych fragmentach sieci z przemiennikami częstotliwości bęzie przeprowazona ozielnie.

4 18 A. Marek Rys. 5. proszczony schemat zastępczy fragmentu sieci z zabezpieczeniem upływowym i z przemiennikiem częstotliwości zasilającym silnik inukcyjny [4] Rys. 6. proszczony schemat zastępczy zabezpieczenia upływowego oraz sieci zasilającej wraz z przemiennikiem częstotliwości, uwzglęniający niezależne, potencjalne miejsca stanów awaryjnych lub zakłóceniowych Przemiennik częstotliwości nie ma wpływu na wykrycie stanu obniżenia rezystancji oziemnej w kontrolowanym fragmencie kopalnianej sieci prąu przemiennego (przy zachowaniu iealnego stanu izolacji w obwozie pośreniczącym i na wyjściu przemiennika). Stan izolacji sieci jest wówczas określany zależnością (1). Na określenie rzeczywistej wartości rezystancji oziemnej (przez człon pomiarowy zabezpieczenia upływowego) mają wpływ: stan symetrii parametrów oziemnych sieci oraz wartości pojemności i rezystancji oziemnej. Zależnie o tego, czy baamy wpływ rezystancji, czy też pojemności oziemnej na poprawność ziałania zabezpieczenia upływowego, zakłaa się stałość pojemności lub rezystancji oziemnej. Wówczas wartość skuteczną napięcia zakłócającego (w przypaku jenofazowego obniżenia rezystancji oziemnej) można określić na postawie zależności [3]: s1, f R 1 + X z (5) Nie powinno być również większego problemu z poprawnym wykryciem przez zabezpieczenie upływowe na wyjściu falownika rezystancji oziemnej mniejszej o wartości progowej zaziałania zabezpieczenia upływowego. W zależności o aktualnej częstotliwości wyjściowej falownika może pojawić się opóźnienie w wykryciu takiego stanu (wynoszące nawet kilka sekun) w porównaniu z wystąpieniem obniżenia rezystancji oziemnej w kopalnianej sieci napięcia przemiennego. Przy pominięciu oatkowych rezystancji pomięzy wejściem przemiennika a obiornikiem (są one niewielkie w porównaniu z pozostałymi rezystancjami z rys. 1) stan izolacji sieci na wyjściu falownika można również opisać zależnością (1). Analogicznie można również określić wartość skuteczną napięcia zakłócającego na wyjściu falownika (la jenofazowego obniżenia rezystancji oziemnej) [3]: sf 1, ffal Rf 1 + Xzf (6) gzie ffal wartość skuteczna wyjściowego napięcia fazowego falownika [V].

5 Wpływ pośrenich przemienników częstotliwości na pracę zabezpieczeń upływowych Poważny wpływ na poprawność pracy zabezpieczenia upływowego może mieć obniżenie rezystancji oziemnej w obwozie stałoprąowym przemiennika częstotliwości (rys. 7). Na postawie zależności (7) i (8) otrzymano charakterystyki zależności napięcia b na boczniku pomiarowym R b (pośrenio również wartość śrenią prąu pomiarowego I p ) o zmian rezystancji oziemnych szyn w obwozie prąu stałego. Do obliczeń przyjęto: E p = 100 V, R p = 199 kω, R b = 1 kω, = 1350 V. Jako pierwszą pokazano zależność napięcia pomiarowego b w funkcji zmian wartości rezystancji oziemnej szyny ujemnej R przy parametrycznych (R + = 1, 30, 100, 500, 1000 kω) zmianach wartości rezystancji oziemnej szyny oatniej R + (rys. 8). Rys. 7. proszczony schemat zastępczy służący o analizy wpływu obwou stałoprąowego przemiennika częstotliwości na pracę zabezpieczenia upływowego Szczególnie niekorzystna sytuacja zachozi, gy E p = o. Może ona uniemożliwić wykrycie oziemienia: w obwozie stałoprąowym czy też na wyjściu falownika. Wielkością pomiarową zabezpieczeń upływowych opartych na stałym napięciu pomocniczym jest wartość śrenia prąu pomiarowego I p. Informację na jej temat uzyskujemy na postawie śreniej wartości spaku napięcia b na boczniku pomiarowym R b [4]: b R b = Ep + R * R+ R 1 Rb + Rp + + R + R + R + (7) Dla sieci 1000 V wartość rezystancji progowej zaziałania zabezpieczenia upływowego wynosi 30 kω. Wartość napięcia pomiarowego b na boczniku R b (przy którym zabezpieczenie oparte na stałym napięciu pomocniczym powinno zaziałać w sieci 1000 V) opisane jest więc zależnością [1]: Rb b30k = Ep Rb + Rp + R30k (8) Rys. 8. Zależności wartości śreniej napięcia pomiarowego na boczniku b w funkcji zmian rezystancji oziemnej szyny ujemnej R przy parametrycznych zmianach rezystancji szyny oatniej R + Otrzymane wyniki wskazują, że mogą pojawić się nieprawiłowości w ziałaniu zabezpieczenia upływowego: zabezpieczenie upływowe nie zaziała, pomimo że zostały spełnione warunki jego ziałania ( 0,435 V < b < 0,435 V), oraz mogą się pojawiać przypaki błęnego zaziałania ( b < 0,435 V oraz b > 0,435 V). Obszar wartości rezystancji oziemnej obu szyn obwou prąu stałego, przy których nie ojzie o prawiłowego zaziałania zabezpieczenia upływowego, jest niewielki i otyczy poobnych wartości rezystancji obu szyn obwou prąu stałego. Gorzej sytuacja wygląa po kątem możliwości pojawiania się przypaków zbęnego zaziałania zabezpieczenia upływowego. Sytuacja jest szczególnie niekorzystna w przypaku rezystancji oziemnych szyny oatniej R + zawierającej się pomięzy 30 kω a około 00 kω (przykłaowo la rezystancji oziemnej szyny oatniej R + = 100 kω, wartości rezystancji oziemnej szyny ujemnej R zawierające się pomięzy 30 kω a 90 kω oraz powyżej 00 kω bęą prowazić o zbęnego zaziałania zabezpieczenia upływowego). Kolejne wykresy (rys. 9) wskazują, że parametryczne obniżenie rezystancji oziemnej w szynie ujemnej R przyczynia się o tych samych negatywnych zjawisk, ale w jeszcze szerszym zakresie rezystancji oziemnych, niż to miało miejsce la poprzenio analizowanej sytuacji (przykłaowo la rezystancji oziemnej szyny ujemnej R = 100 kω wartości rezystancji oziemnej szyny oatniej R + powyżej 100 kω bęą prowazić o zbęnego zaziałania zabezpieczenia upływowego).

6 0 A. Marek Rys. 9. Zależności wartości śreniej napięcia pomiarowego na boczniku b w funkcji zmian rezystancji oziemnej szyny oatniej R + przy parametrycznych zmianach rezystancji szyny ujemnej R 3. PODSMOWANIE Zastosowanie przemienników częstotliwości o zasilania obiorników przyczynia się o zmian warunków pracy zabezpieczeń upływowych. Na poprawność ziałania zabezpieczeń upływowych opartych na stałym źróle pomocniczym szczególnie niekorzystnie wpływają zmiany rezystancji oziemnej w stałoprąowych obwoach pośreniczących przemienników częstotliwości. Mogą one prowazić o braku zaziałania zabezpieczenia upływowego (mimo że zachozą warunki o jego zaziałania), jak i zaziałania zabezpieczenia w sytuacji, gy warunki ku temu nie są spełnione. Przeprowazona analiza wskazuje na to, że zabezpieczenia oparte na stałym źróle pomocniczym w określonych sytuacjach bęą ziałać nieprawiłowo (rys. 8 i 9). W celu ograniczenia nieprawiłowego ziałania zabezpieczeń upływowych należy sprawzić ich oporność na obniżenie rezystancji oziemnej R w obwoach stałoprąowych (proucenci mogą zastosować oatkowe rozwiązania ograniczające tego typu nieprawiłowe ziałania). Poobne problemy nie powinny się pojawiać w sytuacji, gy przemienniki częstotliwości stosowane są w wersji stanarowej (cały przemiennik znajuje się w jenej obuowie), w której ostępne są jeynie zaciski wejściowe z ołowej sieci kopalnianej (wejście prostownika) i zaciski wyjściowe o połączenia z obiornikiem (wyjście falownika). Coraz częściej ochozi jenak o sytuacji, w której prostownik przemiennika częstotliwości znajuje się w innym miejscu niż jego falownik, a w związku z tym wyjście prostownika jest łączone za pomocą kabli (lub przewoów oponowych) z wejściem falownika [5]. W przypaku zaistnienia powyższej sytuacji konieczne staje się zastosowanie zabezpieczenia upływowego prawiłowo wykrywającego obniżenie rezystancji oziemnej R w obwozie stałoprąowym. Kiey nie występuje negatywne oziaływanie obwoów stałoprąowych, pomiar rezystancji oziemnej w ołowej sieci kopalnianej napięcia przemiennego nie różni się zasaniczo o sytuacji, gy nie ma przemienników częstotliwości. Należy jenak zwrócić uwagę na fakt, że częstotliwość napięcia wyjściowego falownika jest zmienna, zależna o wymaganego stanu pracy obiornika (wpływa na czas zaziałania zabezpieczenia upływowego i na zastępczą reaktancję pojemnościową sieci w tych warunkach). Zabezpieczenia upływowe oparte na zmiennym napięciu pomocniczym pozwalają uniknąć negatywnych skutków związanych z obniżeniem rezystancji oziemnej w obwoach stałoprąowych. Rozwiązania takie charakteryzują się jenak łuższym czasem reakcji na zaistniałe obniżenie rezystancji oziemnej poniżej wartości progowej zaziałania zabezpieczenia upływowego. Literatura [1] Marek A.: Wybrane zaganienia centralnych zabezpieczeń upływowych z pomocniczym źrółem prąowym, Konferencja EMTECH 014: [] Marek A.: Właściwości centralnych zabezpieczeń upływowych w ukłazie omomierza równoległego z pomocniczym źrółem prąowym, XV Krajowa Konferencja Elektryki Górniczej 014: [3] Marek A.: Zabezpieczenia upływowe w sieciach z przemiennikami częstotliwości w poziemiach kopalń, Mining Informatics, Automation an Electrical Engineering 010, : [4] Marek A.: Analiza przyatności wybranych zabezpieczeń upływowych w ołowych sieciach z przemiennikami, Konferencja EMTECH 016: [5] Elgór + Hansen: kła zasilania z wykorzystaniem przesyłu energii prąem stałym [karta prouktu]. r inż. ADAM MAREK Katera Elektrotechniki i Automatyki Przemysłowej Wyział Górnictwa i Geologii Politechnika Śląska ul. Akaemicka, Gliwice Aam.Marek@polsl.pl