Спосіб визначення відстані до місця короткого замикання в електромережі вугільної шахти

Реферат: Спосіб визначення відстані до місця короткого замикання в електромережі вугільної шахти, який передбачає оцінку відстані за активним та реактивним опорами електромережі до місця короткого замикання, при якому активний та реактивний опори обчислюються як дійсна та уявна частини, відповідно, відношення просторового вектора лінійних напруг, який визначається миттєвими значеннями напруг між першою-другою, другою-третьою та третьоюпершою фазами електромережі, до просторового вектора лінійних струмів, який визначається миттєвими значеннями струмів першої, другої та третьої фаз електромережі, і при зменшенні кореня з суми квадратів вказаних активного та реактивного опорів нижче уставки передають сигнал на відключення електромережі та відображають інформацію про відстань до місця короткого замикання. UA 79147 U (54) СПОСІБ ВИЗНАЧЕННЯ ВІДСТАНІ ДО МІСЦЯ КОРОТКОГО ЗАМИКАННЯ В ЕЛЕКТРОМЕРЕЖІ ВУГІЛЬНОЇ ШАХТИ UA 79147 U UA 79147 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки та призначена для визначення відстані до місця короткого замикання в електромережі вугільної шахти з ізольованою нейтраллю трансформатора. Може бути використана переважно в електромережах вугільних шахт. Специфічні умови експлуатації електромереж вугільних шахт визначають високу імовірність пошкодження гнучких кабелів гострими кусками вугілля або породи, елементами вугледобувного обладнання, робочим інструментом, внаслідок переміщення кабелів по ґрунту виробок услід за гірничими машинами, через вплив суттєвих зусиль, що розтягують, багатократні вигини та кручення, ушкодження кріпленням. Це призводить до порушення цілісності ізоляції кабелів та, як наслідок, виникнення коротких замикань, які є причиною спалахів метану, пожеж, вибухів у шахті. На сьогоднішній день існують апарати захисту від коротких замикань, що відключають живлення пошкодженої ділянки електромережі (наприклад, ПМЗ, БКЗ-3МК), які, однак, не дозволяють визначити відстань до місця короткого замикання, що здійснюється персоналом вручну. Велика протяжність та обмежений розмір гірничих виробок, відсутність освітлення, висока запиленість ускладнюють пошук місця короткого замикання, що призводить до простоїв гірничого обладнання та зниження вуглевидобутку. Відомо способи визначення місця короткого замикання поверхневих силових кабельних ліній, що живлять промислові та комунальні об'єкти, які поділяються на дистанційні (імпульсний, петлевий способи та спосіб коливального розряду) та топографічні (індукційний та акустичний способи) [Дементьев B.C. Как определить место повреждения в силовом кабеле / B.C. Дементьев.-3-е изд., перераб. - М.: Энергия, 1980.-72 с. - (Б-ка электромонтера; Вып. 497)]. Спільним недоліком цих способів є необхідність попереднього зниження перехідного опору в місці короткого замикання, яке виконується шляхом прожигання вказаного місця струмом суттєвої величини (десятки ампер) при напрузі до декількох кіловольт, що не може бути виконано в шахтних умовах, оскільки не відповідає вимогам вибухобезпеки та може спровокувати запалення метано-повітряної суміші або займання вугільного пилу. Відомо спосіб визначення відстані до місця ушкодження та довжини дротів та кабелей ліній електропередачі і зв'язку та пристрій для його здійснення [патент RU 2098838, G01R 31/11, опубл. 10.12.1997], який полягає у тому, що на вхід об'єкта вимірювання впливають зондуючими імпульсами, приймають відбиті імпульси, піддають їх посиленню, що безперервно змінюється в часі за законом, який є зворотнім до закону затухання імпульсів, фіксують час приходу імпульсу, відбитого від місця пошкодження або розімкнутого або короткозамкненого кінця лінії та визначають відстань до місця пошкодження або до кінця лінії за інтервалом часу між моментом зондування та моментом приходу відбитого імпульсу. До недоліків способу слід віднести погіршення параметрів вибухобезпеки експлуатації шахтної електромережі через необхідність накладання на мережу зондуючих імпульсів, які, при протіканні через місце короткого замикання після захисного відключення мережі, збільшують імовірність спалаху метану. Відомо спосіб та пристрій визначення місця пошкодження [патент US 7283915, G01R 31/00, опубл. 16.10.2007], який полягає у вимірюванні напруг та струмів на початку та в кінці лінії електропередач у складі електромережі, отриманні векторів напруг та струмів прямої послідовності для початку та кінця лінії та обчисленні відстані до місця короткого замикання на основі розв'язання квадратного рівняння, складеного з урахуванням вказаних векторів напруг та струмів та комплексного опору лінії електропередач у складі електромережі. До недоліків такого способу відноситься низька точність, що обумовлено необхідністю передачі результатів вимірювань струмів та напруг до пристрою реалізації способу на значну відстань, оскільки вказані вимірювання мають здійснюватися на початку та в кінці лінії електропередач, що може також призвести до викривлень результатів вимірювання відстані до місця короткого замикання через вплив перешкод. Також використання засобів для вимірювання струмів на напруг на початку та в кінці лінії електропередач в умовах шахтної електромережі знижує параметри вибухобезпеки, оскільки, при виході вказаних засобів вимірювання з ладу (наприклад, через старіння ізоляції), можливо виникнення аварійного режиму. Вибухобезпека також знижується через необхідність передачі даних вимірювань на суттєву відстань, оскільки це потребує прокладання додаткових сигнальних ліній, при пошкодженні яких можливим є спалах метаноповітряної суміші. Найбільш близьким за технічною суттю до корисної моделі, що заявляється, є спосіб дистанційного захисту лінії електропередачі [патент RU 2447454, G01R 31/08, Н02Н 3/40, опубл. 10.04.2012], який передбачає цифрову фільтрацію миттєвих значень струмів та напруг (отриманих за допомогою аналого-цифрового перетворення сигналів з аналогових датчиків струмів та напруг лінії електропередачі на інтервалі, який дорівнює періоду промислової частоти) для формування комплексних значень фазних струмів та напруг з використанням алгоритму дискретного перетворення Фур'є, отримання значень активних та реактивних опорів 1 UA 79147 U 5 10 15 20 25 30 35 40 на основі комплексних величин фазних струмів та напруг, для чого використовується один з відомих способів побудови цифрових багатофазних дистанційних органів релейного захисту, визначення відстані між місцем встановлення захисту та місцем короткого замикання на основі поточних вимірів активних та реактивних опорів, для чого виконується ділення виміряних активних та реактивних опорів на питомі активні та реактивні опори конкретної лінії електропередачі, обчислення результуючих оцінок відстаней шляхом зваженого усереднювання оцінок відстані, що отримані на основі вимірювань активного та реактивного опорів з урахуванням відповідних коефіцієнтів (оцінки останніх формуються на основі імітаційного моделювання лінії електропередачі та статистичної обробки даних), порівняння результуючих оцінок відстаней з уставками, в результаті чого забезпечується відключення пошкодженого елемента електромережі та реєстрація даних. До недоліків вказаного способу відноситься низька точність, оскільки для формування комплексних значень фазних струмів та напруг необхідно виконувати цифрову фільтрацію миттєвих значень струму та напруг (алгоритм дискретного перетворення Фур'є), що характеризується наявністю похибок при значному обсязі обчислень. Також точність способу знижується через необхідність імітаційного моделювання лінії електропередачі для одержання оцінок коефіцієнтів, які використовуються для обчислення результуючих оцінок відстаней між місцем встановлення захисту та місцем короткого замикання, оскільки при імітаційному моделюванні неможливо врахувати всі фактори впливу на лінію електропередачі, а параметри тих факторів, що враховуються моделлю, завжди оцінюються з деякою похибкою. Іншим недоліком вказаного способу є зниження вибухобезпеки шахтних мереж, оскільки тривалість цифрової фільтрації миттєвих значень струмів та напруг, яка дорівнює періоду промислової частоти (20 мс для частоти 50 Гц), суттєво перевищує час захисного відключення мережі (2,5 мс), за якого забезпечується вибухобезпека при механічних пошкодженнях кабелю. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу визначення відстані до місця короткого замикання в електромережі вугільної шахти, в якому за рахунок зменшення кількості вимірів та відсутності цифрової фільтрації сигналів досягається підвищення точності вимірювання та вибухобезпеки електромережі. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у відомому способі визначення відстані до місця короткого замикання в електромережі вугільної шахти, який передбачає оцінку відстані за активним та реактивним опорами електромережі до місця короткого замикання, згідно корисної моделі, активний та реактивний опори обчислюються як дійсна та уявна частини, відповідно, відношення просторового вектора лінійних напруг, який визначається миттєвими значеннями напруг між першою-другою, другою-третьою та третьою-першою фазами електромережі, до просторового вектора лінійних струмів, який визначається миттєвими значеннями струмів першої, другої та третьої фаз електромережі, і при зменшенні кореня з суми квадратів вказаних активного та реактивного опорів нижче уставки передають сигнал на відключення електромережі та відображають інформацію про відстань до місця короткого замикання. Причинно-наслідковий зв'язок суттєвих ознак корисної моделі з технічним результатом. Просторовий вектор лінійних напруг електромережі, який є комплексною величиною, визначається миттєвими значеннями лінійних напруг електромережі наступним чином:   u  2 / 3  u12  a  u23  a2  u31 , (1) 45 де u12 , u23 , u31 - лінійні напруги відповідно між першою-другою, другою-третьою та третьою-першою фазами електромережі; a  e j2 / 3 - комплексний оператор поворота. Просторовий вектор лінійних струмів електромережі визначається миттєвими значеннями лінійних струмів електромережі згідно залежності:   i  2 / 3  i1  a  i2  a 2  i3 , (2) 50 де i1 , i2 , i3 - лінійні струми першої, другої та третьої відповідно фаз електромережі. Активний опір електромережі до місця короткого замикання визначається як дійсна частина відношення просторового вектора лінійних напруг до просторового вектора лінійних струмів електромережі наступним чином: u  R  Re    i  . (3)   2 UA 79147 U Реактивний опір електромережі до місця короткого замикання визначається як уявна частина відношення просторового вектора лінійних напруг до просторового вектора лінійних струмів електромережі наступним чином: u  X  Im   i  . (4)   5 10 15 Таким чином, для визначення активного та реактивного опорів електромережі до місця короткого замикання достатньо однократних вимірювань миттєвих значень струмів та напруг трьох фаз мережі при відсутності цифрової фільтрації сигналів, що дає змогу реалізувати спосіб, який заявляється, за час, який не залежить від тривалості періоду промислової частоти та є суттєво меншим від часу захисного відключення мережі при механічному пошкодженні кабеля, що підвищує точність вимірювання та вибухобезпеку електромережі при використанні заявленого способу. Сигнал на відключення електромережі передається при зменшенні кореня з суми квадратів активного та реактивного опорів електромережі до місця короткого замикання нижче уставки, тобто при виконанні умови: R2  X2  Z уст де Z уст  lм  Zn , (5) - уставка за модулем комплексного опору електромережі; lм - довжина електромережі; Zn 20 Відстань lк від місця встановлення захисту до місця короткого замикання пропорційна кореню з суми квадратів активного та реактивного опорів електромережі до місця короткого замикання: lк  25 30 35 - модуль питомого комплексного опору електромережі. R 2  X2 Zn . (6) На фіг. 1 зображена трифазна електромережа вугільної шахти з функціональними блоками пристрою реалізації способу, що заявляється. Електромережа складається з першої 1, другої 2 та третьої 3 фаз та призначена для передачі електроенергії від джерела 4 через комутаційний апарат 5 та гнучкий кабель 6 до навантаження 7. Пристрій реалізації способу, що заявляється, який дозволяє визначити відстань 8 до місця 9 короткого замикання в гнучкому кабелі 6 з активними 10 та реактивними 11 опорами до місця короткого замикання, містить вимірювальні трансформатори струму 12, 13 та 14, що включені у фази 1, 2 та 3 електромережі відповідно, причому до виходів вказаних трансформаторів підключені входи аналого-цифрових перетворювачів (АЦП) 15, 16 та 17 відповідно, та вимірювальний трифазний трансформатор напруги 18, перший, другий та третій виводи первинної обмотки якого підключені до фаз 1, 2 та 3 електромережі відповідно, а перший та другий виводи вторинної обмотки підключені до АЦП 19, другий та третій виводи вторинної обмотки підключені до АЦП 20, третій та перший виводи вторинної обмотки підключені до АЦП 21. Вихід АЦП 15 підключено до першого входу суматора 22, вихід АЦП 16 через підсилювач 23, коефіцієнт підсилення якого дорівнює комплексному оператору повороту а , підключений до другого входу суматора 22, а вихід АЦП 17 через 2 40 підсилювач 24, коефіцієнт підсилення якого становить а , підключений до третього входу суматора 22, причому вихід останнього підключений до входу підсилювача 25 з коефіцієнтом підсилення 2/3. Вихід АЦП 19 підключений до першого входу суматора 26, вихід АЦП 20 через підсилювач 27, коефіцієнт підсилення якого дорівнює а , підключений до другого входу 2 45 50 суматора 26, а вихід АЦП 21 через підсилювач 28, коефіцієнт підсилення якого становить а , підключений до третього входу суматора 26, вихід якого підключений до входу підсилювача 29 з коефіцієнтом підсилення 2/3. Виходи підсилювачів 25 та 29 підключені відповідно до першого та другого входів блока ділення 30, який виконує ділення сигналу, що присутній на другому вході, на сигнал, що присутній на першому вході. Комплексний сигнал з виходу блока 30 подається на блоки 31 та 32 обчислення відповідно дійсної та уявної частин комплексного сигнала, тобто активного та реактивного опорів відповідно до місця короткого замикання. Вихід блока 31 підключено до першого входа блока 33, а вихід блока 32 - до другого входа блока 33, який обчислює корень з суми квадратів сигналів на першому та другому входах. Вихід блока 33 підключено до другого входу блока порівняння 34, до першого входу якого підключено вихід 3 UA 79147 U 5 10 15 блока множення 35, причому на перший вхід останнього подається сигнал від задатчика 36 модуля питомого комплексного опору електромережі, а на другий вхід блока множення 35 подається сигнал від задатчика 37 довжини електромережі, причому блок 35 виконує множення першого та другого вхідних сигналів. Вихід блока 33 також підключено до першого входа блока ділення 38, другий вхід якого підключено до виходу задатчика 36, а третій вхід - до виходу блока порівняння 34, причому блок ділення 38, за наявності одиничного сигналу на своєму третьому вході, виконує ділення сигналу, що подається на перший вхід, на сигнал, що подається на другий вхід, а вихід вказаного блока ділення 38 підключено до першого входу (входу даних) індикатора 39, другий вхід якого (вхід дозволу роботи) підключено до виходу блока порівняння 34. За наявності одиничного сигналу на другому вході індикатора 39, він відображає інформацію, що подається за допомогою цифрового сигналу на перший вхід. Вихід блока порівняння 34 також підключено до кола керування комутаційного апарата 5, який виконує відключення електромережі за наявності короткого замикання. Реалізація способу визначення відстані до місця короткого замикання в електромережі вугільної шахти пояснюється діаграмами на фіг. 2, 3 та 4. В разі виникнення в момент t i трифазного короткого замикання в місці 9 електромережі, яка живить навантаження 7 при ввімкненому комутаційному апараті 5, від джерела 4 через активні 10 та реактивні 11 опори кабеля 6 буде протікати струм короткого замикання, який для фази 1 (струм i1 ) вимірюється вимірювальним трансформатором струму 12 та перетворюється в цифровий сигнал y15 АЦП 20 15, для фази 2 (струм i2 ) вимірюється вимірювальним трансформатором струму 13 та перетворюється в цифровий сигнал y16 АЦП 16, а для фази 3 (струм i3 ) вимірюється вимірювальним трансформатором струму 14 та перетворюється в цифровий сигнал y17 АЦП 17. Цифрові сигнали y15 , y16 , y17 змінюються синусоїдально з промисловою частотою, 25 причому до моменту t1 їх амплітуда відповідає амплітуді струму мережі в нормальному режимі, а після вказаного моменту - амплітуді струму короткого замикання. Вимірювання лінійних напруг електромережі за допомогою вимірювального трансформатора 18 та перетворення вторинних напруг вказаного трансформатора в цифрові сигнали за допомогою АЦП 19, 20, 21 дозволяє отримати на виході АЦП 19 цифровий сигнал y19 , що відповідає лінійній напрузі u12 , на виході АЦП 20 цифровий сигнал y 20 , що відповідає лінійній напрузі u23 , а на виході АЦП 21 цифровий 30 сигнал y 21 , що відповідає лінійній напрузі u31 , причому вказані цифрові сигнали змінюються 2 синусоїдально (фіг. 2). Множення цифрових сигналів y16 та y17 на a та a відповідно за допомогою підсилювачів 23 та 24 відповідно та складання отриманих комплексних цифрових сигналів з цифровим сигналом y15 за допомогою суматора 22, а також множення результату сумування на 2/3 за допомогою підсилювача 25 дозволяє отримати на виході останнього 35 40 комплексний цифровий сигнал y 25 , що відповідає значенням просторового вектора i лінійних струмів електромережі, оскільки блоки 22-25 реалізують залежність (2). На комплексній площині просторовий вектор лінійних струмів електромережі обертається за годинниковою стрілкою, описуючи, до моменту t1 траєкторію n , а після вказаного моменту описуючи траєкторію m , причому перехід з першої траєкторії на другу здійснюється за кривою АВ, що відповідає підвищенню амплітуди струмів мережі при короткому замиканні. Множення цифрових сигналів y 20 та y 21 на a та а2 відповідно за допомогою підсилювачів 27 та 28 відповідно та складання отриманих комплексних цифрових сигналів з цифровим сигналом y19 за допомогою суматора 26, а також множення результату сумування на 2/3 підсилювачем 29 дозволяє отримати на виході останнього комплексний цифровий сигнал y 29 , що відповідає значенням просторового 45 вектора u лінійних напруг електромережі, оскільки блоки 26-29 реалізують залежність (1), та описується на комплексній площині траєкторією у вигляді кола, оскільки амплітуда напруги живлення є незмінною (фіг. 3). Блоки 30 та 31 реалізують залежність (3) обчислення активного опору електромережі до місця короткого замикання, а блоки 30 та 32 - залежність (4) обчислення реактивного опору електромережі до місця короткого замикання. На площині 50 активних та реактивних опорів сигнали y 31 та y 32 до момента t1 відповідають точці С, а після вказаного момента, в режимі короткого замикання, - точці D, причому перехід з точки С в точку 4 UA 79147 U D здійснюється за кривою CD (фіг. 3). Корінь із суми квадратів активного та реактивного опорів електромережі до місця короткого замикання, якому відповідає цифровий сигнал y 33 на виході блока 33, до моменту t1 відповідає довжині відрізка ОС (фіг. 3), а після вказаного моменту довжині відрізка OD, що відображає діаграма зміни в момент t1 величини сигналу y 33 в функції 5 часу на фіг. 4. В момент t 2 величина сигналу y 33 стає меншою від сигналу y 35 , значення якого Z відповідають уставці уст за модулем комплексного опору електромережі та обчислюються блоком 35 як добуток довжини електромережі (задатчик 37) та модуля питомого комплексного опору електромережі (задатчик 36). Зменшення сигналу y 33 нижче y 35 виявляється блоком порівняння 34, який, перевіряючи виконання умови (5), в момент t 2 видає одиничний сигнал 10 y 34 (фіг. 4), що впливає на коло керування комутаційним апаратом 5, який відключає електромережу. Одиничний рівень сигналу y 34 дозволяє роботу блока ділення 38 та індикатора 39, причому цифровий сигнал y 38 на виході блока 38, який реалізує залежність (6), відповідає 15 відстані lк від місця встановлення захисту до місця короткого замикання (фіг. 4), а індикатор 39 відображає інформацію про відстань 8 до місця короткого замикання. При зменшенні або збільшенні відстані 8 до місця короткого замикання корінь із суми квадратів активного та реактивного опорів електромережі до місця короткого замикання буде відповідно зменшуватися або збільшуватися, чому відповідає збільшення або зменшення амплітуд струмів мережі та сигналів y15  y17 після моменту t1 (фіг. 2), збільшення або зменшення абсолютної величини просторового вектора лінійних струмів електромережі та, відповідно, комплексного цифрового 20 сигналу y 25 , що на комплексній площині відповідає збільшенню або зменшенню радіуса траєкторії m (фіг. 3), переміщення точки D на площині активних та реактивних опорів по лінії ОЕ відповідно до точки О або до точки Е (фіг. 3), зменшення або збільшення величин сигналів y 33 25 30 35 40 та y 38 після моменту t1 (фіг. 4) та відображення меншої або більшої величини на індикаторі 39. Використання заявленого способу забезпечує підвищення точності вимірювання та вибухобезпеки електромережі за рахунок зменшення кількості вимірів та відсутності цифрової фільтрації сигналів. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Спосіб визначення відстані до місця короткого замикання в електромережі вугільної шахти, який передбачає оцінку відстані за активним та реактивним опорами електромережі до місця короткого замикання, який відрізняється тим, що активний та реактивний опори обчислюються як дійсна та уявна частини, відповідно, відношення просторового вектора лінійних напруг, який визначається миттєвими значеннями напруг між першою-другою, другою-третьою та третьоюпершою фазами електромережі, до просторового вектора лінійних струмів, який визначається миттєвими значеннями струмів першої, другої та третьої фаз електромережі, і при зменшенні кореня з суми квадратів вказаних активного та реактивного опорів нижче уставки передають сигнал на відключення електромережі та відображають інформацію про відстань до місця короткого замикання. 5 UA 79147 U 6 UA 79147 U 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 7