Введение

Эффективная и безопасная эксплуатация промышленных электроустановок в значительной степени обеспечивается применением современных методов диагностики их технического состояния [1], организационными мероприятиями и техническими средствами защиты персонала от электропоражения. При этом имеющая место функциональная недостаточность защитного заземления электроустановок (включая нестационарные объекты) в промышленных электросетях с изолированной нейтралью трансформатора [2] обусловила необходимость применения дополнительных устройств автоматического выявления опасных состояний электрооборудования и управления процессом подавления электропоражающего фактора. Однако проблемными вопросами при функционировании технических средств защиты от возникновения цепей повышенной проводимости с фаз на землю остаются чувствительность к броскам тока в переходных режимах, существенно повышающаяся с увеличением емкости изоляции сети [3], а также деформация их характеристик при эксплуатации в электросетях, содержащих частотно регулируемые асинхронные электроприводы [4, с. 226–230], что является факторами, ограничивающими их область применения. Кроме этого, фактором ограничения защитной функции этих технических средств является нераспространение ее на кабельные присоединения магнитных пускателей (МП), подвергающиеся воздействию обратных электродвижущих сил (ЭДС) асинхронных двигателей (АД) электропотребителей, переходящих в режим выбега после отключения напряжения питания. Актуальность данной проблематики обоснована тенденцией повсеместного повышения мощности электроприводов горных машин, что сопровождается повышением продолжительности существования высоких уровней обратных ЭДС электродвигателей. Объектом воздействия обратных энергетических потоков являются, прежде всего, кабельные присоединения между магнитными пускателями и электродвигателями, отличающиеся большими протяженностями, отсутствием средств защиты от механических повреждений, что обуславливает наибольшую вероятность прикосновения человека к фазному проводнику, находящемуся под напряжением, и необходимость разработки и применения специальных средств автоматической защиты.

Анализ исследований и публикаций

Вопросы обеспечения безопасности эксплуатации шахтных участковых электрических сетей в основном касались разработки аппаратуры автоматической защиты (АЗ) от утечек тока на землю и освещены в работах [4, с. 140–210; 5] и др. Применяемый в настоящее время алгоритм их функционирования состоит в последовательности действий: измерение оперативного тока (Iоп) АЗ → сравнение с эталонным током (Iэт) АЗ → формирование команды на отключение напряжения питания электросети при Iоп>Iэт. В зависимости от типа АЗ процедура может сопровождаться выявлением поврежденной фазы методом сопоставления разностей потенциалов между фазами сети и землей с последующим закорачиванием поврежденной фазы на землю, а также частичной компенсацией емкости изоляции сети. Исполнительным элементом, реализующим защитную функцию АЗ, в этом случае является автоматический выключатель участковой трансформаторной подстанции ТП. В работах [6–8] рассмотрена проблематика ускорения коммутационных процессов защитного отключения ТП. При этом общим свойством, характеризующим специфику эксплуатации системы электроснабжения участка шахты, является то, что все виды применяемых средств автоматического защитного отключения действуют со стороны ТП, и их функция состоит в сопоставлении измеряемого (контролируемого) параметра (Fизм.) с заданным, допустимым (Fдоп.) и ограничивается отделением от участковой электросети энергетического потока, формируемого ее силовым трансформатором при Fизм. > Fдоп. (рис. 1) [9]. Таким образом, защитная функция АЗ не распространяется на подавление электропоражающего действия обратных ЭДС АД, переходящих в режим выбега после отключения напряжения электропитания. Кроме этого, в исследовании [10] обоснованы факторы, ограничивающие функциональность и область применения АЗ в шахтных участковых электрических сетях. Концепция автоматического защитного обесточивания рудничных электротехнических комплексов обоснована в работе [11, с. 150–173, 217–219]. Предложены способы выявления опасного состояния электрической сети техническими средствами, действующими в автоматическом режиме, автономно со стороны АД электропотребителей, и обоснована целесообразность применения управляемых средств подавления обратных ЭДС, встраиваемых в структуру электрических машин.

Рис. 1. Блок-схема алгоритма функционирования типового технического средства автоматической защиты от аварийных (опасных) состояний электрической сети участка шахты Примечание: составлен авторами на основе источника [9]

В работах [12; 13] выполнен анализ технических возможностей подавления электропоражающего действия обратных ЭДС АД, включая варианты управления его электромагнитными параметрами, а также применение способа индукционно-динамического торможения ротора в процессе защитного отключения. Однако обоснованные в этих работах устройства представляют собой громоздкие конструкции, размещаемые в обособленных корпусах, что затрудняет либо делает невозможным их применение в качестве защитных устройств электромеханических установок, перемещаемых в штатных режимах эксплуатации. Кроме этого, предложенный способ индукционно-динамического торможения АД предполагает применение постоянно функционирующего в штатном режиме силового тиристорного коммутатора в цепи присоединения статора АД. Применительно к эксплуатации в условиях шахты его техническая реализация в рудничном исполнении связана со сложностью отвода тепла от силовых полупроводниковых приборов, размещенных в корпусе взрывозащищенного исполнения, и высокой стоимостью изготовления.

Цель исследования – обоснование технических решений реализации функции автоматического подавления обратных ЭДС в электросети участка промышленного предприятия, адаптируемых к условиям автономного функционирования, при размещении в структурах асинхронных двигателей и силовой коммутационной аппаратуры.

Материалы и методы исследования

В зависимости от способа исследуемого подавления электропоражающего действия обратной ЭДС АД объектом управления могут выступать:

− средство коммутации цепи «звезда» соединения фазных обмоток статора АД;

− коммутационное устройство закорачивания фаз на выходе магнитного пускателя в процессе его отключения.

В первом случае решается задача выявления техническим средством, действующим со стороны АД, опасного состояния силового кабельного присоединения (с последующей управляемой коммутацией цепи «звезда» обмоток статора), где контролируемым параметром выступает электрическая проводимость между фазой (фазами) сети и землей, что косвенно может быть представлено величиной напряжения на реагирующем органе технического средства контроля либо тока в его структуре. Критерием опасного состояния здесь выступает нормируемая для рудничных аппаратов защиты от утечек тока на землю [4; 5] величина сопротивления цепи между фазой и землей Rут ≤ 30 кОм (электросеть напряжения 660 В); Rут ≤ 50 кОм (электросеть напряжения 1140 В). Следует также учитывать и величину нормируемого показателя сопротивления тела человека Rут. = Rчел. = 1 кОм.

Во втором случае решается задача автоматического подавления обратной ЭДС АД в процессе каждого отключения контактора магнитного пускателя независимо от наличия/отсутствия опасного состояния в силовом кабельном присоединении, что предотвращает саму возможность создания условий электропоражения в кабельном присоединении на интервале выбега асинхронных двигателей.

Результаты исследования и их обсуждение

Применительно к условиям эксплуатации нестационарных, перемещаемых в процессе выполнения технологических операций электромеханических установок участка промышленного предприятия, при разработке защитного средства подавления электропоражающего действия обратной ЭДС АД предпочтительно устройство, размещаемое непосредственно в структуре электродвигателя и совмещающее функции выявления опасного состояния в силовом присоединении и защитного воздействия на параметры обратной ЭДС. Таким образом, структура этого устройства должна содержать датчик опасного состояния силового присоединения (ДОС) асинхронного двигателя и управляемый им исполнительный функциональный узел. Из анализа схем выявления опасных состояний промышленных электрических сетей за основу схемы ДОС может быть взята схема выявления контакта фазы с корпусом электродвигателя, представляющая собой цепь последовательного соединения конденсатора, диода и реагирующего органа, подключенная между узлом соединения в «звезду» обмоток статора асинхронного двигателя и его металлическим корпусом [14].

При возникновении цепи утечки тока на землю в контролируемом со стороны электродвигателя кабельном присоединении к срабатыванию датчика приведет последовательность однополярных импульсов тока в реагирующем органе, снижающихся по величине по мере заряда конденсатора в последовательном соединении с диодом. В качестве воздействия на обратную ЭДС асинхронного двигателя в процессе подавления опасности электропоражения здесь следует рассматривать эффект разъединения цепи «звезда» обмоток статора. Приемлемым техническим решением является использование двухполюсного автоматического выключателя (АВ) в качестве средства разъединения цепи «звезда» фазных обмоток статора АД, поскольку:

− компактность двухполюсного автоматического выключателя (в частности, выключатели типа А3711Ф и А3711БЭ, рассчитанные на номинальный ток 160 А при линейном напряжении сети соответственно 380 и 660 В [15]) сопоставима с возможностью его размещения в металлическом коробе, сопоставимом по габаритам с отсеком кабельного ввода асинхронного двигателя средней мощности;

− независимый расцепитель автоматического выключателя может выполнять функцию реагирующего органа ДОС, что упрощает общую конструкцию и повышает надежность схемы в целом;

− функция средства коммутации согласуется с необходимостью поддержания трехфазного соединения «звезда» обмоток статора двигателя в штатном режиме эксплуатации и не предполагает дополнительного электропитания силового коммутационного устройства.

Анализ схем устройств автоматической защиты от утечек тока на землю позволяет сделать вывод, что функция короткозамыкателя (ускоренного обесточивания) поврежденной фазы (аппарат АЗУР-4 [16]) не может быть реализована при мгновенном (синхронном) появлении цепей одинаковой повышенной проводимости на землю от всех трех фаз сети. Это же ограничение касается и устройства, описанного в источнике [14], поскольку в этом случае схема датчика опасного состояния силового присоединения будет подключена между узлами одинаковых, нулевых по величине электрических потенциалов. Данное состояние относится к маловероятным, однако оно представляет потенциальную опасность и должно быть выявлено средствами автоматической защиты.

Решением этого проблемного вопроса является схема, представленная на рис. 2 [17]. Существенным дополнением здесь является применение источника напряжения (трансформатор TV1) в цепи формирования сигнала управления реагирующим органом, в данном случае реле К1, которое управляет расцепителем YU1 автоматического выключателя QF1. В этом случае достигается эффект выявления повышенной электрической проводимости на землю не одной, а любого числа фаз электрической сети. В соответствии со схемой, нарушается баланс потенциалов цепи «звезда» фазных обмоток статора АД и цепи «звезда» одинаковых проводимостей

(g1 = 1/ Rут1= g2= 1/ Rут2 = g3 = 1/ Rут3< ∞)

трех фаз на землю. При этом любая комбинация проводимостей фаз кабельного присоединения на землю в момент своего возникновения будет создавать условие протекания однополярных импульсов тока со вторичной обмотки трансформатора TV1 через C1-VD1-K1 – цепь. Таким образом, процесс выявления опасного состояния в кабельном присоединении и последующего подавления электропоражающего действия обратной ЭДС АД реализуется в соответствии с алгоритмом:

− исходное состояние: линейные напряжения сети поданы на статор АД → на вторичной обмотке трансформатора TV1 формируется напряжение промышленной частоты; цепи повышенной проводимости (1/Rут) между фазами сети и землей отсутствуют Rут → ток в цепи C1-VD1-K1 ограничен сопротивлениями изоляции фаз кабеля электропитания;

− в момент формирования цепи повышенной проводимости (1/ Rут) между землей и любым числом фаз сети → протекание однополупериодных импульсов тока со вторичной обмотки трансформатора TV1 по цепи C1-VD1-K1 → включение реле К1 → включение независимого расцепителя YU1 автоматического выключателя QF1 → разъединение контактов QF1.1 и QF1.2.

Сдвоенная кнопка SB1.1-SB1.2 служит для разряда конденсатора С1 с целью подготовки схемы к дальнейшему использованию.

Реакция схемы устройства на возникновение цепей повышенной проводимости между землей и фазами сети состоит в формировании сигнала на реагирующем органе (напряжения на обмотке реле К1), существенно превышающего амплитуду текущего электрического параметра (напряжения) в штатном режиме работы. Данный процесс исследован на компьютерной модели при допущениях:

− линейное напряжение трехфазной сети – 660 В, частота 50 Гц;

− принят кабель электропитания марки КГЭШ 3х35 мм2 длиной 100 м с параметрами XL = 0,0084 Ом при L = 0,0268 мГн (соответствует мощности 160 кВт электродвигателя потребителя); R = 0,050 Ом;

− сопротивление цепи утечки тока на землю в каждой фазе Rут = 30 кОм;Rут = 1 кОм;

− активное сопротивление и индуктивность нагрузки составляют, соответственно: R = 0,52 Ом и L = 7,1 мГн, что соответствует параметрам асинхронного двигателя 3ЭДКОФLD4 мощностью 160 кВт;

− активное сопротивление имитатора сопротивления катушки реле К1:R1 = 300 Ом, емкость конденсатора С1 – 100 мкФ.

Рис. 2. Схема устройства контроля состояния кабеля электропитания асинхронного двигателя и управления процессом подавления электропоражающего действия его обратных ЭДС с функцией выявления синхронно возникающих цепей одинаковой проводимости на землю трех фаз кабельного присоединения Примечание: составлен авторами на основе источника [17]

Рис. 3. Диаграммы напряжений на резисторе R1 = 300 Ом при активном сопротивлении цепи утечки каждой фазы на землю Rут = 30 кОм (а); Rут = 1 кОм (б); емкости изоляции сети Сиз = 0,5 мкФ/фазу; масштаб напряжения: 200 В/дел.; Rиз = 200 кОм/фазу Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

На рис. 3 представлены осциллограммы импульсов напряжения на катушке реле К1 при синхронном возникновении (в момент времени t1) цепей утечки на землю с трех фаз электросети, превышающие амплитуду соответствующего параметра штатного режима, что существенно для инициализации управляющей команды на отключение автоматического выключателя (QF1) коммутации узла соединения фазных обмоток статора АД. Амплитуда импульсов напряжения высокого уровня на реагирующем органе находится в зависимости от величины активного сопротивления цепи утечки тока на землю. Так, при

Rут1 = Rут2 = Rут3 = = 30 кОм

этот параметр превышает амплитуду импульсов напряжения на реагирующем органе в штатном режиме работы в 2,6 раза. При

Rут1 = Rут2 = Rут3 = 1 кОм

данное соотношение достигает величины 11,08. Из этого следует возможность формирования информационного сигнала о синхронном возникновении цепей повышенной проводимости на землю со всех трех фаз электрической сети, что является существенным отличием от функциональных возможностей существующих средств автоматического выявления опасных состояний силовых присоединений промышленных участковых электросетей, где выявляется одна фаза с цепью утечки тока на землю [4, с. 145–149; 5].

Подавление электропоражающего действия обратной ЭДС АД может быть также осуществлено импульсным закорачиванием фаз на выходе магнитного пускателя, последующим после отключения его контактора. В соответствии со схемой (рис. 4) [18] исполнительным узлом устройства является короткозамыкатель VC1, выполненный по схеме мостового выпрямителя с присоединенным на выходе тиристором VS1. Процедура управления тиристором короткозамыкателя состоит в формировании пакета импульсов напряжения, подаваемых на его вход, в момент замыкания контакта КМ 1.4 контактора, перемещаемого совместно с его силовыми контактами КМ1.1 – КМ1.3 в процессе отключения пускателя, и реализуется цепью последовательного соединения дифференцирующего звена (ДЗ), одновибратора (ОВ), мультивибратора (МВ) и узла гальванической развязки (УГР).

Будучи размещенным в структуре магнитного пускателя, данное устройство позволяет подавлять обратную ЭДС присоединенного АД всякий раз при отключении контактора, действуя в автоматическом режиме. Применение данного технического решения позволяет получить принципиально новый технический результат – обеспечение схемой магнитного пускателя электробезопасного состояния силового присоединения после отключения контактора. В этом случае алгоритм защиты человека, прикоснувшегося к фазе сети, от электропоражения, завершающийся отключением автоматического выключателя участковой трансформаторной подстанции по команде аппарата защиты от утечек тока на землю, будет продолжен подавлением электропоражающего фактора в кабеле между магнитным пускателем и асинхронным двигателем электропотребителя, то есть в объекте, где прикосновение человека к фазному проводнику наиболее вероятно.

Рис. 4. Схема устройства посткоммутационного импульсного закорачивания фаз выхода коммутационного аппарата Примечание: составлен авторами на основе источника [18]

Рис. 5. Осциллограммы напряжения на резисторе утечки Rут = 1,0 кОм (масштаб делителя напряжения на входе осциллографа – 1:10): а – при отсутствии посткоммутационного закорачивания фаз на выходе контактора; б – при посткоммутационном закорачивании фаз на выходе контактора (t1 – момент отключения контактора; VPP – разность потенциалов между амплитудами напряжения положительной и отрицательной полярностей) Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Продолжительность воздействия на электросеть обратной ЭДС асинхронного двигателя в этом случае минимальна и будет определяться временем отключения контактора и временем срабатывания короткозамыкателя магнитного пускателя. Этот эффект подтвержден в ходе экспериментов (рис. 5), проведенных с целью установления специфики воздействия посткоммутационного импульсного закорачивания фаз на электрические параметры цепи утечки на землю с активным сопротивлением Rут = 1 кОм, имитирующей прикосновение человека к фазному проводнику, находящемуся под действием обратной ЭДС АД. В физической модели (рис. 6) работа короткозамыкателя фаз на выходе пускателя имитировалась контакторной схемой. В структуру стенда входят: КМ1; КМ2 – трехполюсные контакторы типа ПМЕ211 (напряжение катушки 220В, коммутационные параметры: напряжение 380 В, ток 25 А); SB1 – тумблер, SB2 – трехполюсный пакетный выключатель типа ПВ3-40М3. Кроме трехполюсной силовой контактной группы КМ1.1 – КМ1.3 контактор КМ1 оснащен слаботочным размыкаемым контактом КМ1.4. В качестве источника обратной ЭДС принят АД типа DK16N мощностью 1,5 кВт. Линейное напряжение сети 380 В. Активные сопротивления и емкости изоляции имитируются резисторами Rиз =150 кОм и конденсаторами, емкость которых в процессе исследования изменялась ступенчато в диапазоне Сиз = 0,2 ÷ 0,7 мкФ/фазу с шагом в 0,1 мкФ/фазу.

Рис. 6. Схема стенда исследования процесса подавления электропоражающего действия обратной ЭДС асинхронного двигателя (М1) методом посткоммутационного закорачивания фаз на выходе коммутационного аппарата (КМ1) Примечание: составлен авторами по результатам данного исследования

Электронным осциллографом PS1 регистрируется напряжение на резисторе Rут = 1 кОм цепи утечки тока на землю, что позволяет выполнить пересчет напряжения на величину тока. Алгоритм проведения эксперимента состоит в последовательности действий:

− исходные установки: SB1, SB2 отключены → КМ1 отключен, КМ2 включен → КМ2.1 – КМ2.3 замкнуты; осциллограф PS1 включен;

− включение тумблера SB1→ включение КМ1 (замыкание КМ1.1 – КМ1.3, размыкание КМ1.4) → отключение КМ2 (размыкание КМ2.1 – КМ2.3);

− включение вручную пакетного выключателя SB2;

− отключение тумблера SB1→ отключение КМ1 (размыкание КМ1.1 – КМ1.3, замыкание КМ1.4) → включение КМ2 (замыкание КМ2.1 – КМ2.3);

− регистрация параметров схемой осциллографа PS1.

Данный алгоритм присоединения короткозамыкателя фаз в процессе их импульсного посткоммутационного закорачивания фаз на выходе контактора позволяет исключить эффект междуфазного короткого замыкания при наличии на силовом присоединении напряжения сети.

Анализ осциллограмм, полученных в ходе экспериментального исследования физической модели (схема по рис. 6), позволяет установить, что зафиксированный временной интервал подавления тока в цепи утечки на землю от момента t1 отключения контактора КМ1 составляет Δt = 0,024 ± 0,006 с. Отключение контактором напряжения питания асинхронного двигателя сопровождается переходным процессом изменения напряжения на резисторе цепи утечки на землю, где имеет место всплеск напряжения – обратной ЭДС АД (еобр(t)) с разностью амплитуд в 147 В при последующем ее экспоненциальном снижении по амплитуде и частоте. За это время (t1≤ Δt ≤ t2) накопленный показатель количества электричества Δq в теле человека, оцениваемый по модулю тока, может быть определен из выражения

Однако, учитывая малую величину параметра Δt при срабатывании короткозамыкателя фаз на выходе магнитного пускателя, на данном интервале приближенно можно принять синусоидальный характер изменения напряжения, приложенного к цепи утечки тока на землю. Тогда действующее значение этого напряжения

Uдейств. ≈ 147/2√2 = 51,97 В,

и рост количества электричества в теле человека будет составлять:

Δq = Iдейств‧ Δt = (51,97/1000)·(0,024 ± 0,006) = 0,0012472 ± 0,0003116 А·с ≈ 1,25 ± 0,31 мА·с.

При пропорциональном пересчете на электросети линейных напряжений других номинальных уровней величина Δq составит

− сеть линейного напряжения 660 В: Δq = (660/380) · (1,25 ± 0,31) = (2,17 ± 0,54) мА·с;

− сеть линейного напряжения 1140 В: Δq = (1140/380) · (1,25 ± 0,31) = (3,75 ± 0,93) мА·с.

В сравнении с уровнями количества электричества в теле человека в условиях действия существующих автоматических защит от утечек тока на землю (в частности, применительно к шахтным участковым электросетям) эти величины несопоставимо малы, что позволяет утверждать о приемлемости технической реализации предложенного способа подавления электропоражающего действия обратной ЭДС асинхронного двигателя.

Заключение

Актуальная научно-техническая задача подавления электропоражающего действия обратной ЭДС асинхронного двигателя в процессе его отключения может быть решена при его дооснащении средством двухполюсной коммутации цепи соединения обмоток статора, управляемым устройством автоматического выявления опасного состояния в силовом кабельном присоединении. Присоединение данного устройства к узлу соединения фазных обмоток статора последовательно со вторичной обмоткой трансформатора напряжения, подключенного первичной обмоткой параллельно к одной из этих обмоток, позволяет выявлять момент возникновения цепи повышенной электрической проводимости между землей и любым числом фаз электрической сети. Данный эффект подтвержден результатами компьютерного моделирования.

Дооснащение схем магнитных пускателей средствами автоматического импульсного посткоммутационного закорачивания фаз электрической сети позволяет распространить функцию защиты человека от электропоражения, выполняемую аппаратами защиты от утечек тока на землю, на кабельные присоединения, находящиеся под воздействием обратных ЭДС асинхронных двигателей после отключения силовых коммутационных аппаратов. Обоснованный способ подавления обратных ЭДС асинхронных двигателей в процессе их отключения позволяет минимизировать временной интервал их воздействия на кабельные присоединения, препятствуя росту количества электричества в теле человека при его касании к фазе сети на выходе магнитного пускателя.