Пристрій захисту від впливу зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна на точку ушкодження в кабелі живлення

Реферат: Винахід належить до електротехніки та призначений для підвищення безпеки експлуатації електротехнічних комплексів гірничих технологічних установок у разі виникнення ланцюгів підвищеної провідності між фазою та землею в кабелі живлення асинхронного двигуна. Пристрій захисту від впливу зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна на точку ушкодження в кабелі живлення містить послідовно з'єднані перший резистор і діод, катод якого приєднаний до металевого корпусу асинхронного двигуна, а також ланцюг з'єднання фазних обмоток статора двигуна у трифазну схему, у якому послідовно до кожної фазної обмотки статора приєднаний силовий розмикаючий контакт виконавчого комутаційного апарата, до входу якого підключений вихід реагуючого органа. Пристрій додатково оснащений двома конденсаторами і трьома резисторами, при цьому ці резистори приєднані першими виводами до вхідних виводів статора першої, другої і третьої фази в точках приєднання перших виводів силових розмикаючих контактів комутаційного апарата, другі виводи цих резисторів з'єднані між собою та приєднані до з'єднаних послідовно конденсаторів, один з яких разом із входом реагуючого органа підключений паралельно до першого резистора, а другі виводи силових розмикаючих контактів комутаційного апарата є місцями підключення силових жил кабелю живлення асинхронного двигуна. UA 103934 C2 (12) UA 103934 C2 UA 103934 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до електротехніки та призначений для підвищення безпеки експлуатації електротехнічних комплексів гірничих технологічних установок у разі виникнення ланцюгів підвищеної провідності між фазою та землею в кабелі живлення асинхронного двигуна. Для захисту електротехнічних комплексів технологічних установок гірничих підприємств від коротких замикань застосовують пристрої, дія яких основана на формуванні вторинного струму, пропорційного до величини струму мережі, що знаходиться під контролем і формування команди на відключення мережі від джерела живлення в разі, якщо величина вторинного струму перевищила наперед встановлену припустиму величину [Справочник энергетика угольной шахты: В 2 т./В.С. Дзюбан и др.; Под общ. ред. канд. техн. наук Б.Н. Ванеева. - Изд. 2-е доп. и перераб. - Донецк: ООО "Юго-Восток, Лтд", 2001. - Т.2: 405-412 с]. Відпрацьовування команди на захисне відключення виконується, як правило, автоматичним вимикачем технологічної дільниці, або контактором пускача відповідного кабельного приєднання до асинхронного двигуна. Крім того, функцію випереджувального відключення аварійного приєднання від джерела живлення при пошкодженні ізоляції навіть однієї фази виконує дільничний апарат захисту від витоків струму на землю, застосування якого в шахтних дільничних електромережах є обов'язковим [Аппараты защиты от токов утечки рудничные для сетей напряжением до 1200 В. Общие технические условия (ГОСТ 22929-78).- [действ, с 26.03.1978 г.].- М.: Гос. ком. стандартов СССР. 1978.-16 с]. Оскільки трифазне коротке замикання при пошкодженні гнучкого екранованого кабелю розпочинається з пошкодження і замикання на землю (заземлюючу жилу кабелю) однієї, або двох фаз, апарат захисту від витоків струму на землю здатен виявити цей аварійний процес і сформувати команду на захисне відключення мережі. Ці технічні рішення дозволяють виявити коротке замикання у силовому електричному приєднанні електротехнічного комплексу і відключити останній від джерела електроживлення, але не дозволяють припинити струм у точці короткого замикання, який певний час буде підтримуватись дією зворотного енергетичного потоку (електрорушійної сили обертання) асинхронного двигуна, що був ввімкнений в аварійному приєднанні. Така підтримка струму короткого замикання після захисного відключення мережі може спричинити пожежу і є вкрай небезпечною за умов виникнення короткого замикання у вибухонебезпечному середовищі (зокрема у вугільній шахті). Найбільш близьким за технічною суттю до пристрою, що заявляється, є пристрій відокремлення зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна від точки короткого замикання в кабелі живлення [Маренич К.Н. Синхронное двустороннее обесточивание поврежденного кабеля шахтной участковой электросети / К.Н. Маренич, И.В. Ковалева // Уголь Украины.-2011,- №5.- С53-54]. Він містить ланцюг з'єднання фазних обмоток статора двигуна у трифазну схему шляхом підключення до виводу кожної фазної статорної обмотки першого виводу розмикаючого контакту виконавчого комутаційного апарата, при тому, що другі виводи цих розмикаючих контактів з'єднані за схемою „зірка" і приєднані до катода стабілітрона, анод якого через резистор приєднаний до анода діода, який своїм катодом через реагуючий орган (блок захисного відключення) підключений до заземлення асинхронного двигуна. Засобами найближчого аналога неможливо досягти нижченаведеного технічного результату по наступних причинах: має місце обмеженість області застосування, що полягає у відсутності його адаптації до асинхронних двигунів, фазні обмотки статорів яких з'єднані в "трикутник". Крім того, в разі відпирання стабілітрона у зворотному напрямі активний опір ланцюга між статором двигуна і його заземленим корпусом створюватиме підвищення струму в ланцюзі підвищеної провідності між фазою з пошкодженою ізоляцією та землею. В разі торкання людини до фази, що є під напругою, таке підвищення струму буде заважати дотриманню безпечного рівня кількості електрики через тіло людини (50 мА*с) у термін захисного знеструмлення мережі і обумовлюватиме необхідність підвищення рівня активного опору резистора в ланцюзі між статором двигуна і його корпусом. У свою чергу, завелике підвищення рівня цього активного опору створюватиме ймовірність не відпирання стабілітрона у зворотному напрямі в разі виникнення ланцюга підвищеної провідності між фазою і землею через замалу величину зворотного струму. В основу винаходу поставлена задача вдосконалення пристрою захисту від впливу зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна на точку ушкодження в кабелі живлення, в якому за рахунок утворення схеми "зірка" з трьох резисторів на вводі статора асинхронного двигуна забезпечується поширення функції відокремлення зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна від точки ушкодження в кабелі живлення стосовно двигунів зі з'єднанням фазних обмоток статора за схемою "трикутник"; за рахунок приєднання силових розмикаючих контактів виконавчого комутаційного апарата між місцями підключення 1 UA 103934 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 силових жил живлячого кабелю і силовими вводами фазних обмоток статора та створення ланцюга визначення інформаційного параметру шляхом послідовного з'єднання конденсатора, резистора і діода, забезпечується скорочення терміну провідного стану між статором та заземленим корпусом асинхронного двигуна, який виникає в разі утворення ланки підвищеної провідності між фазою кабелю живлення і землею, що призводить до обмеження на достатньому рівні величини додаткової кількості електрики в ланцюзі витоку струму на землю. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що пристрій захисту від впливу зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна на точку ушкодження в кабелі живлення містить послідовно з'єднані перший резистор і діод, катод якого приєднаний до металевого корпусу асинхронного двигуна, а також ланцюг з'єднання фазних обмоток статора двигуна у трифазну схему, у якому послідовно до кожної фазної обмотки статора приєднаний силовий розмикаючий контакт виконавчого комутаційного апарата, до входу якого підключений вихід реагуючого органа, згідно з винаходом, пристрій додатково оснащений трьома резисторами і двома конденсаторами, при цьому резистори приєднані першими виводами до вхідних виводів статора першої, другої і третьої фази в точках приєднання перших виводів силових розмикаючих контактів комутаційного апарата, другі виводи цих резисторів з'єднані між собою та приєднані до з'єднаних послідовно конденсаторів, один з яких разом із входом реагуючого органа підключений паралельно до першого резистора, а другі виводи силових розмикаючих контактів комутаційного апарата є місцями підключення силових жил кабелю живлення асинхронного двигуна. Оснащення пристрою трьома резисторами дозволяє створити штучну "зірку" з активних опорів в мережі обмоток статора асинхронного двигуна, чим забезпечується визначення наявності ланки підвищеної провідності між фазою кабеля живлення асинхронного двигуна і землею, формування команди реагуючим органом на подальше відокремлення від мережі трифазної схеми статора двигуна засобами комутації обмотки кожної його фази. При цьому реагування на факт виникнення ушкодження в кабелі живлення асинхронного двигуна буде відбуватися шляхом одночасного відключення напруги живлення електричної мережі за командою засобу максимального струмового захисту, та (або) загально дільничного захисту від витоків струму на землю з боку живлячої трансформаторної підстанції і відокремлення зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна в схемі аварійного кабельного приєднання шляхом відключення від мережі трифазної статорної обмотки цього двигуна в результаті спрацьовування захисного пристрою, що заявляється. Ця функція буде виконуватись незалежно від конфігурації з'єднань фазних обмоток статора асинхронного двигуна у трифазну схему (за схемою „зірка", або „трикутник") і супроводжуватись обмеженням тривалості стану провідності між статором асинхронного двигуна і землею (на початку виникнення підвищеної провідності між фазою кабелю живлення і землею), що дозволить підтримати кількість електрики в ланцюзі цієї підвищеної провідності на припустимому рівні за критерієм забезпечення електробезпеки експлуатації шахтних дільничних електротехнічних комплексів. На фіг. 1 наведена схема підключення гнучкого екранованого кабелю електричного живлення до силових затисків у відсіках кабельних вводів магнітного пускача і асинхронного двигуна гірничої машини; на фіг. 2 - електрична схема пристрою, що заявляється; на фіг. 3 узагальнена схема застосування пристрою, що заявляється, в структурі шахтного дільничного електротехнічного комплексу з урахуванням схеми підключення апарата захисту від витоків струму на землю за умови виникнення підвищеної провідності між землею та фазою шахтного екранованого кабелю живлення, асинхронного двигуна; на фіг. 4 - діаграма напруги на першому резисторі ланцюга визначення інформаційного сигналу при виникненні в момент tl підвищеної провідності між землею та фазою шахтного екранованого кабелю живлення, асинхронного двигуна. До складу шахтного силового гнучкого екранованого кабелю 1 входять три силові жили 2, мідна заземлююча жила 3, гумові ізоляційні оболонки 4 силових жил та гумові провідникові екрани 5. Схема підключення гнучкого екранованого кабелю містить затиски 6 у пристроях кабельних вводів 7 (магнітного пускача) і 8 (асинхронного двигуна гірничої машини), заземлювач 9, заземлюючі болти 10 (магнітного пускача) і 11 (асинхронного двигуна гірничої машини). Пристрій захисту від впливу зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна на точку ушкодження в кабелі живлення містить три силових розмикаючих контакти 12, 13, 14, кожен з яких підключений послідовно з відповідною фазною обмоткою 15, 16, 17 статора 18 двигуна, резистори 19, 20, 21, конденсатори 22, 23, резистор 24, діод 25, реагуючий орган 26. виконавчий комутаційний апарат 27. 2 UA 103934 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Електрична мережа живлення асинхронного двигуна також містить апарат захисту від витоків струму на землю 28, живлячу трансформаторну підстанцію 29 та автоматичний вимикач 30. Особливістю шахтного гнучкого екранованого кабалю 1 є наявність гумового провідникового екрана 5, який накладений поверх гумової ізоляційної оболонки 4 кожної силової жили 2. Між екранами 5 силових жил кабелю міститься мідна заземлюючи жила 3. Таким чином, пошкодження ізоляції силової жили призводитиме до появи електричного зв'язку (ланка 31 підвищеної провідності) між цією силовою жилою 2 і заземлюючою жилою 3. Всі силові жили кабелю приєднуються до відповідних затисків 6 у пристроях кабельних вводів магнітного пускача 7 і асинхронного двигуна 8 гірничої машини. Пристрій кабельного вводу магнітного пускача (як частина його металевої оболонки) є приєднаним до заземлювача 9. Заземлююча жила 3 у пристроях кабельних вводів 7 і 8 приєднується до заземлюючих болтів, відповідно, 10 і 11, які є частинами металевих корпусів, відповідно, пускача та асинхронного двигуна. Цим забезпечується заземлення асинхронного двигуна гірничої машини, яка є рухомим об'єктом. Пристрій захисту від впливу зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна на точку ушкодження в кабелі живлення містить три силових розмикаючих контакти 12, 13, 14, кожен з яких підключений послідовно з відповідною фазною обмоткою 15, 16, 17 статора 18 двигуна, резистори 19, 20, 21, які підключені своїми першими виводами до вводів фазних обмоток 15, 16, 17 статора 18, в місцях приєднання перших виводів розмикаючих контактів 12, 13, 14, і з'єднані своїми другими виводами між собою і з першим виводом конденсатора 22, другий вивід якого приєднаний до з'єднаних послідовно резистора 24 і діода 25, катод якого приєднаний до заземлюючого болта 11 корпуса асинхронного двигуна, при цьому паралельно до резистора 24 приєднані конденсатор 23 і вхід реагуючого органа 26, вихід якого з'єднаний зі входом виконавчого комутаційного апарата 27 управління контактами 12, 13, 14, а другі виводи цих контактів є місцями підключення силових жил кабелю живлення асинхронного двигуна. Дія пропонованого пристрою пояснюється наступним. Процес міжфазного короткого замикання в кабелі живлення асинхронного двигуна розпочинається з пошкодження ізоляції 4 однієї, або двох фаз, що за умови застосування гнучкого екранованого кабелю 1 призводить до металевого контакту жил 2 цих пошкоджених фаз із заземлюючою жилою 3. Торкання людиною фази, що є під напругою, теж створює ланку підвищеної провідності між фазою мережі і землею. Отже, ознакою ушкодження кабелю живлення асинхронного двигуна в шахтній дільничній електромережі є утворення ланки підвищеної провідності між фазою мережі і землею. З одного боку, це призводить до спрацьовування апарата захисту від витоків струму на землю 28 і відповідного відключення пошкодженого кабелю від живлячої трансформаторної підстанції 29 автоматичним вимикачем 30. В разі виникнення міжфазного короткого замикання в кабелі живлення асинхронного двигуна до спрацьовування автоматичного вимикача 30 також призведе дія максимального струмового захисту трансформаторної підстанції 29. В разі виникнення підвищеної провідності в кабелі живлення асинхронного двигуна між фазою і землею матиме місце суттєве підвищення різності потенціалів між заземлюючою жилою 3 та загальною точкою приєднання резисторів 19, 20, 21. Це обумовлюватиме створення ланки протікання струму з живлячої трансформаторної підстанції 29 через резистори 19, 20, 21, конденсатор 22, резистор 24, діод 25, заземлюючу жилу З кабеля та його пошкоджену жилу 2 (пошкоджені жили) через ланцюг 31 підвищеної провідності. Наявність. послідовно з'єднаних конденсаторів 22, 23 і діода 24 обумовлює обмеження тривалості провідного стану цієї ланки, що дозволяє обмежити величину додаткової кількості електрики в ланцюзі 31 підвищеної провідності між фазою та землею і водночас сформувати інформаційний сигнал у формі імпульсу напруги U/ (фіг. 4) на резисторі 24, достатній для приведення в дію реагуючий орган 26, та, через нього, виконавчий комутаційний апарат 27, який своїми контактами 12. 13. 14 відокремлюватиме зворотний енергетичний потік асинхронного двигуна від живлячого кабелю, що знаходиться в стані ушкодження, В разі виникнення ушкодження в кабелі після відключення мережі за умови знаходження асинхронного двигуна споживача в стані вільного вибігу струм в ланцюзі з резистором 24 буде визначатися ЕРС обертання асинхронного двигуна і протікати від його статора. Завдяки дії зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна, це також призводитиме до формування на цьому резисторі відповідного інформаційного сигналу у формі імпульсу напруги що є командою на спрацьовування виконавчого комутаційного апарату 27 і відключення його силових розмикаючих контактів 12, 13, 14 в мережі між статором асинхронного двигуна і живлячим кабелем, що перебуває в стані ушкодження. Застосування цього пристрою захисту має бути узгоджене з функціонуванням дільничного апарата захисту від витоків струму на землю 28 (фіг. 3), який створює у трифазній електромережі і ланці заземлення постійний оперативний струм і впливає на відключення 3 UA 103934 C2 5 10 15 автоматичного вимикача 30 в разі перевищення оперативним струмом встановленої припустимої величини. Схема приєднання конденсатора 22 послідовно у ланцюг визначення інформаційного параметра і підключення діода 25 катодом до заземлюючого болта 11 металевого корпуса асинхронного двигуна (що є підключеним до заземлюючої жили 3 кабелю) виключає вплив пристрою, що заявляється на роботу дільничного апарату захисту від витоків струму на землю 28. Проходженню постійного оперативного струму через заземлюючу жилу 3, та з'єднані за схемою "зірка" резистори 19, 20, 21 у трифазну мережу електроживлення асинхронного двигуна перешкоджатиме діод 25 і конденсатор 22. Таким чином, конденсатор 22 і діод 25 відокремлюють силові ланцюги електроживлення двигуна від його заземленого корпуса, що відповідає принципу ізоляції обмотки статора двигуна від елементів заземлення мережі у робочому режимі експлуатації. Наведений пристрій захисту від впливу зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна на точку ушкодження в кабелі живлення забезпечує поширення функції відокремлення зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна від точки ушкодження в кабелі живлення на двигуни, статорні обмотки яких з'єднані за схемою "трикутник" або "зірка" при дотриманні на припустимому рівні параметрів електробезпеки експлуатації шахтних дільничних електротехнічних комплексів, що призводить до обмеження на достатньому рівні величини додаткової кількості електрики в ланцюзі витоку струму на землю. 20 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 25 30 35 Пристрій захисту від впливу зворотного енергетичного потоку асинхронного двигуна на точку ушкодження в кабелі живлення, що містить послідовно з'єднані перший резистор і діод, катод якого приєднаний до металевого корпуса асинхронного двигуна, а також ланцюг з'єднання фазних обмоток статора двигуна у трифазну схему, у якому послідовно до кожної фазної обмотки статора приєднаний силовий розмикаючий контакт виконавчого комутаційного апарата, до входу якого підключений вихід реагуючого органа, який відрізняється тим, що пристрій додатково оснащений двома конденсаторами і трьома резисторами, при цьому ці резистори приєднані першими виводами до вхідних виводів статора першої, другої і третьої фази в точках приєднання перших виводів силових розмикаючих контактів комутаційного апарата, другі виводи цих резисторів з'єднані між собою та приєднані до з'єднаних послідовно конденсаторів, один з яких разом із входом реагуючого органа підключений паралельно до першого резистора, а другі виводи силових розмикаючих контактів комутаційного апарата є місцями підключення силових жил кабелю живлення асинхронного двигуна. 4 UA 103934 C2 Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5