Henryk Klein OPA-Labor Sp. z o.o. Wpływ konfiguracji kopalnianych oddziałowych sieci 6 kv na dopuszczalne nastawienia nadprądowych zabezpieczeń zwarciowych. Streszczenie.W referacie, na podstawie wybranych przykładów, przedstawiono wpływ, jaki na dopuszczalne przedziały nastawień zabezpieczeń mają decyzje określające sposób połączeń oddziałowych sieci kopalnianych oraz sposób zasilania odbiorów końcowych. 1. Wstęp. Zasadnicze kryteria determinujące sposób konfiguracji sieci kopalnianych mają przesłanki zarówno ekonomiczne, jak i techniczno-ruchowe, przy czym na poziomie sieci oddziałowych do najistotniejszych naleŝą: istniejąca struktura sieci oddziałowej, wyposaŝenie i obciąŝenie rozdzielnic; posiadane rezerwy kabli, pól rozdzielczych, stacji transformatorowych; moŝliwość zasilenia większej liczby odbiorów przy minimalizacji nakładów inwestycyjnych co często sprowadza się do takiej konstrukcji sieci, przy której obciąŝenie poszczególnych jej elementów leŝy na granicy wartości dopuszczalnych ; warunki górniczo-geologiczne i wentylacyjne panujące w wyrobiskach w których potencjalnie moŝna prowadzić kable oraz lokalizować pola rozdzielcze i stacje transformatorowe; czas dojścia (dojazdu) obsługi do poszczególnych rozdzielnic, co jest istotne ze względu na czas trwania ewentualnych przerw w zasilaniu (np. poawaryjnych); Na wymienione przesłanki nakłada się konieczność spełnienia wymagań odpowiednich przepisów, w tym takŝe dotyczących wymagań odnośnie sposobów i skuteczności działania układów zabezpieczających. W związku ze złoŝonością zagadnienia, przy uwzględnianiu formalnych wymagań przepisów i norm, częstokroć umyka uwadze ich fizykalna podstawa. W praktyce eksploatacyjnej niejednokrotnie mamy do czynienia z przypadkami nieprawidłowego działania automatyki zabezpieczeniowej - zarówno zadziałań zbędnych, jak i brakujących, i to często występujących łącznie podczas jednego zakłócenia. Część spośród tych zdarzeń jest nieuchronną konsekwencją załoŝeń przyjętych przy planowaniu rozwoju i konfiguracji sieci.
2. Zasilanie transformatorów oddziałowych. Wobec wzmoŝonej koncentracji wydobycia, i nasycenia procesu technologicznego środkami technicznymi w znakomitej większości zasilanymi energią elektryczną rośnie łączna moc zainstalowana urządzeń związanych z określoną ścianą wydobywczą. Jednocześnie rośnie zróŝnicowanie mocowe transformatorów 6kV/DN zasilających te urządzenia. Z drugiej strony w chwili obecnej nie ma przepisów regulujących dopuszczalną liczbę transformatorów zasilanych wspólnie z jednego pola rozdzielczego 6 kv. W efekcie niejednokrotnie powoduje to trudności w prawidłowym zabezpieczeniu odpływów transformatorowych. Przeanalizujmy zatem wpływ poszczególnych elementów układu zasilającego oraz odbioru na moŝliwość prawidłowego nastawienia a co za tym idzie pracy zabezpieczeń nadprądowych. Na Rys. 1 przedstawiono przykładowy fragment sieci elektroenergetycznej zasilającej wybrany odcinek ciągu technologicznego. Prąd rozruchowy zabezpieczenia zwarciowego bezzwłocznego I nast mierzony po stronie 6 kv, w punkcie zabezpieczeniowym 1 musi spełnić znany układ nierówności: k I k "(2) s k min c I I ; (1) nast rob max ( ksknz I omt k zt I ) I rob max = max ; nt, (2) gdzie: I k min (2) - minimalna wartość początkowego prądu zwarciowego w strefie zabezpieczanej; k c współczynnik czułości wynoszący 1,3 dla odbiorów zainstalowanych w pomieszczeniach niezagroŝonych wybuchem i 1,5 w pomieszczeniach zagroŝonych wybuchem; k s współczynnik schematu, którego wartość zaleŝy od sposobu połączenia układu pomiarowego zabezpieczenia; k nz współczynnik niezawodności o zalecanych wartościach 1,25 1,5; I omt maksymalny prąd roboczy transformatora (transformatorów) wyliczony przy załoŝeniu rozruchu grupy silników z rozruchem jednoczesnym o największej wartości prądu rozruchowego i ustalonego obciąŝenia pozostałych odbiorników; k zt współczynnik udaru prądu magnesującego przy załączaniu transformatora; I nt znamionowy prąd transformatora; Dla zabezpieczeń zwarciowych zwłocznych, przy wyznaczaniu maksymalnego prądu roboczego nie bierze się pod uwagę warunku wynikającego z udaru prądu magnesującego załączanych transformatorów. Zabezpieczenia chroniące odpływy końcowe zlokalizowane w przestrzeniach nie zagroŝonych wybuchem (pomieszczenia w pokładach niemetanowych lub ze stopniem a
niebezpieczeństwa wybuchu metanu oraz klasy A zagroŝenia wybuchem pyłu węglowego) mogą działać ze zwłoką czasową nie przekraczającą 0,6s. Zabezpieczenia odpływów końcowych zlokalizowanych w przestrzeniach zagroŝonych wybuchem (odpowiednio: pomieszczenia ze stopniem b lub c lub klasy B ) muszą działać bezzwłocznie. Rys. 1 Prąd I k min (2) brany pod uwagę przy ocenie nastawienia zabezpieczenia w punkcie zabezpieczeniowym 1 jest najmniejszym z pośród prądów zwarciowych mogących wystąpić przy metalicznych zwarciach w punktach A, B, C i D. Brak spełnienia lewej strony nierówności (1) powoduje, iŝ moŝliwe staje się powstanie zwarcia niewykrywalnego dla zabezpieczenia. Z kolei brak spełnienia prawej strony tychŝe nierówności grozi występowaniem zbędnych wyłączeń przy normalnych obciąŝeniach ruchowych. Dla zilustrowania przedstawionego przykładu wstępnie przyjęto zestawione w Tabeli 1, typowe dla spotykanych konfiguracji sieci kopalnianych wartości parametrów urządzeń oraz wynikające z nich wartości rezystancji i reaktancji, obliczone dla napięcia 6 kv. W Tabeli 2 zestawiono minimalne początkowe prądy zwarć dwufazowych w punktach A D, obliczone przy uwzględnieniu nagrzania Ŝył kabli prądami roboczymi
(rezystancja Ŝył została zwiększona o 20%) oraz wartości minimalnych i maksymalnych prądów nastawienia zabezpieczeń zwarciowych z uwzględnieniem stopnia zagroŝenia wybuchem pomieszczeń w których zainstalowano urządzenia odbiorcze (stacje transformatorowe) lub zasilające je linie kablowe. Tabela 1 Lp Ozn. Parametry R [Ω] X [Ω] System elektroenergetyczny (minimalna moc zwarcia na szynach kopalnianej rozdzielni głównej przy zasilaniu z transformatora 16MVA) 1. - S z =140MVA; R/X=0,1 0,028 0,281 Dławik zwarciowy 2. X d U n =6kV; u z =6%; I n =1000 A - 0,208 Linie kablowe 3. lkz YKGYFtly 3*150mm 2 ; l=1000m; r =0,124Ω/km; 0,124 0,097 x =0,097Ω/km; I dd =331A 4. lk1 YHKGYFtly 3*50mm 2 ; l=700m; r =0,387Ω/km; 0,271 0,079 x =0,113Ω/km; I dd =168A 5. lk2 YHKGYFtly 3*50mm 2 ; l=700m; r =0,387Ω/km; 0,271 0,079 x =0,113Ω/km; I dd =168A 6. lk3 YHKGYFtly 3*50mm 2 ; l=10m; r =0,387Ω/km; 0,004 0,001 x =0,113Ω/km; I dd =168A 7. lk4 YHKGYFtly 3*50mm 2 ; l=10m; r =0,387Ω/km; 0,004 0,001 x =0,113Ω/km; I dd =168A Transformatory 8. T1 IT3Sb 400/0,5; S n =400 kva; P obc =3,2 kw; e z =4,3%; 0,720 3,802 Yy 9. T2 IT3Sb 315/0,5; S n =315 kva; P obc =2,66 kw; e z =3,7%; 0,965 4,117 Yy 10. T3 IT3Sb 400/0,5; S n =400 kva; P obc =3,2 kw; e z =4,3%; 0,720 3,802 Yy 11. T4 IT3Sc 630/1; S n =630 kva; P obc =5,2 kw; e z =4,3%; Yy 0,472 2,412 Tabela 2 Wielkość Miejsce zwarcia A B C D I k (2) [ka] 0,58 0,50 0,56 0,79 "(2) k pom. A ; a 0,45 0,39 0,43 0,61 si k min [ka] pom. B ; b ; 0,39 0,34 0,37 0,53 kc c I rob max = ( k sknz I omt ) [ka] 0,302 I max k I [ka 0,504 rob ( zt ) = nt
Minimalne prądy nastawień zabezpieczeń wyznaczono osobno z warunku dotyczącego udaru prądów magnesujących oraz z warunku uwzględniającego rozruch silników zasilanych po stronie DN transformatorów. W tym drugim przypadku dla punktu zabezpieczeniowego 1 przyjęto jednoczesny rozruch silników o łącznej mocy 315 kw (k r =5,5) zasilanych z transformatora T4, oraz ustaloną pracę transformatorów T1 T3 obciąŝonych w 70% mocy znamionowej. Porównując wartości minimalnego prądu zwarciowego mierzonego w punkcie zabezpieczeniowym przy zakłóceniach w punktach A D łatwo zaobserwować, Ŝe jego wartość zaleŝy przede wszystkim od impedancji transformatora za którym rozpatrujemy zwarcie. Impedancja ta jest w przybliŝeniu odwrotnie proporcjonalna do mocy transformatora. Zatem w linii zasilającej kilka transformatorów minimalny prąd zwarciowy a co za tym idzie maksymalne nastawienie zabezpieczenia zwarciowego zdeterminowany jest przez moc najmniejszego z transformatorów. Dla przedstawionego przypadku układ nierówności (1) okazuje się być sprzeczny: "(2) k s I k min = 0,34kA I nast I rob max = 0,504kA k c 3. Wpływ parametrów elementów układu zasilania na minimalny początkowy prąd zwarcia dwufazowego. Dla zobrazowania wpływu zmiany parametrów poszczególnych elementów obwodu na minimalny prąd zwarcia dwufazowego w punkcie zabezpieczeniowym, wykonano obliczenia dla punktu zabezpieczeniowego 2 i zwarcia w punkcie E. Jako obliczeniowy układ podstawowy o którego odnoszone są zmiany parametrów przyjęto: system elektroenergetyczny i dławik zwarciowy jak w Tabeli 1; linia kablowa l k5 prowadzona kablem YHKGYFtly 3*50mm 2 o długości 1000m; transformator T5 typu IT3Sb 400/0,5. Dla takiego odpływu minimalna wartość początkowego prądu zwarcia 2-fazowego w punkcie E wynosi 0,574 ka. Zmiany prądu początkowego wywołane zmianami parametrów poszczególnych elementów pętli zwarcia przedstawiono na Rys. 2 6 procentowo. Jako 100% przyjęto prąd wyznaczony dla obliczeniowego układu podstawowego. Jak widać decydujący wpływ na wartość prądu zwarciowego ma moc transformatora odbiorczego. Wpływ pozostałych elementów pętli zwarcia jest wielokrotnie mniejszy. W konsekwencji, w linii zasilającej kilka transformatorów o maksymalnym dopuszczalnym nastawieniu zabezpieczenia zwarciowego decydować będzie prąd zwarciowy po stronie dolnego napięcia najmniejszego spośród nich, a zmiana parametrów pozostałych elementów układu nie jest w stanie w znaczący sposób wpłynąć na tę wartość. Dla przykładu, trzykrotna zmiana przekroju linii kablowej powoduje zmianę I k min (2) o 2,1% natomiast dwukrotna zmiana mocy transformatora o 54%. NaleŜy przy tym pamiętać, Ŝe przy projektowaniu sieci oddziałowej istnieje realny wpływ jedynie na niektóre z tych parametrów. Np. moc zwarciowa na szynach rozdzielni głównej
ZaleŜność względnego minimalnego prądu zw arcia od mocy zw arciow ej na szynach głów nej rozdzielni zasilającej 110 108 106 Ik"(2)[%] 104 102 100 98 96 94 92 90 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Sz [MVA] Rys. 2 ZaleŜność względnego minimalnego prądu zwarcia od reaktancji dławika 110,0 105,0 104,4 100,0 101,4 100,0 97,3 Ik"(2)[%] 95,0 94,0 90,0 85,0 80,0 Brak dławika 4%; 1000A; Xd=0,139 6%, 1000A; Xd=0,208 4%; 400A; Xd=0,346 6%; 400A; Xd=0,520 Reaktancja dławika Rys.3
ZaleŜność względnego minimalnego prądu zwarcia od długości linii kablowej zasilającej transformator 106,0 104,0 102,0 100,0 Ik"(2)[%] 98,0 96,0 94,0 92,0 90,0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 Długość kabla, [m] Rys.4 ZaleŜność względnego minimalnego prądu zwarcia od przekroju linii kablowej zasilającej transformator 110,0 108,0 106,0 104,0 Ik"(2)[%] 102,0 100,0 98,7 100,0 101,0 101,5 101,8 102,1 98,0 96,0 94,0 92,0 35 50 70 95 120 150 s [mm2] Rys.5
ZaleŜność w zględnego minimalnego prądu zwarcia od mocy transformatora odbiorczego 250,0 249,3 230,0 210,0 190,0 Ik"(2)[%] 170,0 150,0 130,0 142,4 110,0 90,0 70,0 92,6 100,0 50,0 IT3Sb 315/0,5 IT3Sb 400/0,5 IT3Sc 630/1 EH-1500/6/3,3 Moc i typ transformatora Rys.6 zdeterminowana jest sposobem zasilania podstawowego i rezerwowego całej kopalni, długości kabli zaleŝą od wzajemnego niezmiennego połoŝenia rozdzielni i od połoŝenia elementów ciągu technologicznego (ściany, przenośników, urządzeń pomocniczych odstawy itd.). Z kolei przy rozpatrywaniu zmiany parametrów np. dławików zwarciowych naleŝy uwzględnić wpływ tego w zakresie daleko szerszym niŝ tylko na wartość nastawienia zabezpieczeń na odpływach oddziałowych. W efekcie pozostaje wpływ na wybór transformatorów zasilanych z jednego pola rozdzielczego i na przekroje stosowanych kabli. 4. Maksymalne prądy robocze. Jako maksymalną wartość prądów roboczych przy których nie powinno nastąpić zadziałanie zabezpieczenia zwarciowego bezzwłocznego, w przypadku odpływów oddziałowych rozpatruje się udar prądów magnesujących występujący przy załączeniu pod napięcie linii zasilającej transformatory oddziałowe lub teŝ jednoczesny rozruch grupy silników o największej dla analizowanego odpływu wartości prądu rozruchowego. Maksymalny prąd w pierwszym z wymienionych stanów, charakteryzujący się duŝą wartością szczytową w chwili załączenia i bardzo krótkim czasem zanikania (kilkadziesiąt do kilkuset ms), zaleŝy od liczby i mocy wspólnie zasilanych transformatorów oraz od chwili zamknięcia styków wyłącznika w stosunku do chwili przejścia przez zero napięć fazowych. Pewien niewielki wpływ ma tu takŝe impedancja kabli zasilających transformatory. W związku z powyŝszym, przy określonym przydziale transformatorów do pól rozdzielczych, nie ma moŝliwości zmiany wartości
maksymalnej i przebiegu tego prądu. Przykład zarejestrowanego przebiegu prądu magnesowania w załączanej linii zasilającej kilka stacji pojazdowych przedstawiono na Rys. 7. NaleŜy zaznaczyć Ŝe zjawisko to nie jest brane pod uwagę przy analizie nastawień zabezpieczeń zwarciowych zwłocznych, gdyŝ ze względu na szybkość zanikania nie powoduje ono na ogół nieselektywnych wyłączeń. Maksymalny prąd roboczy, wynikający z rozruchu zasilanych silników, charakteryzuje się znacznie dłuŝszymi czasami zanikania (około 1 do 2s). Rozpatrując pole rozdzielcze zasilające określony fragment ciągu technologicznego, wartość tego prądu zaleŝy od mocy i współczynnika rozruchu jednocześnie załączanych silników oraz stopnia ustalonego obciąŝenia innych wspólnie zasilanych transformatorów w czasie rozruchu największego zespołu napędowego. Jest zatem oczywiste Ŝe jego wartość rośnie wraz z liczbą wspólnie zasilonych transformatorów. Załączenie pod napięcie linii zasilającej transformatory: 2xIT3Sd 400/6/1; IT3Sb 400/6/0,5; IT3Sb 315 1000 800 600 I [A] 400 i [A] Isk [A] 200 0 0,0000 0,1000 0,2000 0,3000 0,4000 0,5000 0,6000 0,7000 0,8000-200 t [s] Rys.7 Wobec tego moŝna na nią wpływać poprzez: dobór obciąŝeń wspólnie zasilanych transformatorów; wprowadzanie przesunięć czasowych pomiędzy rozruchami poszczególnych silników maszyny; zasilanie jednocześnie załączanych silników jednej maszyny z transformatorów przyłączonych do róŝnych pól rozdzielczych; stosowanie urządzeń rozruchowych zmniejszających wartość prądu rozruchowego, np. rozruszników tyrystorowych lub przemienników częstotliwości.
NaleŜy podkreślić Ŝe stosowanie silników dwubiegowych lub sprzęgieł hydrokinetycznych nie zmniejsza wartości prądów rozruchowych, a jedynie poprawia mechaniczne warunki rozruchu i zwiększa tolerancję silników dla rozruchowych spadków napięć (zmniejsza prawdopodobieństwo utyku silników w czasie rozruchu). Na Rys. 8 przedstawiono przebieg rozruchu dwóch silników organów urabiających kombajnu ścianowego, przesunięty w czasie o ok. 6s. Na Rys. 9 przedstawiono przebieg obciąŝenia pola 6 kvw czasie jednoczesnego rozruchu dwóch silników przenośnika ścianowego. NaleŜy dodać Ŝe trzeci silnik zasilany był z transformatora przyłączonego do innego pola 6 kv. Rozruch organów urabiających kombajnu JOY4LS8 3300, prąd po stronie 6 kv (silniki o mocy 300 kw) 300,00 t [s] 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 200,00 100,00 i [A] 0,00 I [A] -100,00-200,00-300,00 Rys.8 Obserwując przedstawione przebiegi moŝna zauwaŝyć Ŝe w obu omawianych rodzajach stanów przejściowych szczytowa wartość prądów roboczych występuje tuŝ po rozpoczęciu stanu przejściowego. Powoduje to szczególnie niekorzystne warunki pracy zabezpieczeń zwarciowych bezzwłocznych. NaleŜy zatem stwierdzić Ŝe przy budowie fragmentów sieci oddziałowych, w przypadku gdy istniejące przesłanki techniczne (np. istniejące wyposaŝenie pól rozdzielczych) lub formalne (odpływy zasilają urządzenia mające pracować w pomieszczeniach zagroŝonych wybuchem gazu lub pyłu) wymuszają zastosowanie zabezpieczeń zwarciowych bezzwłocznych, konieczna jest przede wszystkim duŝa staranność analizy potencjalnie moŝliwych układów zasilania oddziału. Ponadto naleŝy liczyć się z koniecznością zwiększenia nakładów technicznych w postaci większej ilości pól rozdzielczych zasilających rejon, a co za tym idzie większych ilości kabli.
Prąd obciąŝenia pola rozdzielczego zasilającego transformator IT3Sb315/6 oraz trzy transformatory IT3S(b,c,d)400/6 podczas jednoczesnego rozruchu dwóch silników przenośnika ścianowego, 65/200 kw 400,00 Czas [s] 0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 6,00 7,00 8,00 9,00 300,00 200,00 100,00 i [A] 0,00-100,00 i [A] -200,00-300,00-400,00-500,00 Rys.9 5. Podsumowanie. Nastawienie prądu rozruchowego zabezpieczenia zwarciowego musi zawierać się w widełkach z jednej strony ograniczonych przez minimalny początkowy prąd zwarcia dwufazowego w strefie chronionej, zaś z drugiej przez maksymalną wartość prądów roboczych jakie mogą wystąpić w warunkach normalnej pracy zasilanej linii. Minimalny początkowy prąd zwarcia dwufazowego zaleŝy przede wszystkim od mocy najmniejszego ze wspólnie zasilanych transformatorów. Zmiany parametrów innych elementów, np. przekroju kabli, nie wpływają na jego wartość w sposób znaczący. Maksymalne wartości prądów roboczych zaleŝą od liczby i mocy wspólnie zasilonych transformatorów oraz od mocy, sposobów rozruchu i podziału silników napędowych maszyn górniczych na transformatory oddziałowe. Dla prawidłowej pracy linii zasilających transformatory oddziałowe najistotniejszym zagadnieniem jest rozdział transformatorów pomiędzy linie 6 kv zasilające oddział oraz odpowiedni sposób zasilenia silników maszyn górniczych z uwzględnieniem podziału między transformatory. W polach rozdzielczych, w których konieczne jest zastosowanie zabezpieczeń zwarciowych bezzwłocznych, w zaleŝności od mocy zasilanych transformatorów,
istnieje pewna nieprzekraczalna ich liczba dla której moŝliwe jest spełnienie nierówności (1). Literatura [1] PN-G-42042:1998 Środki ochronne i zabezpieczające w elektroenergetyce kopalnianej. Zabezpieczenia zwarciowe i przeciąŝeniowe. Wymagania i zasady doboru. [2] PN-EN 60909-0:2002(U) Prądy zwarciowe w sieciach trójfazowych prądu przemiennego. Część 0: Obliczenie prądów.