5.3 Защита подземных электроустановок

5.3.1. Электроустановки напряжением до 1200 в

В настоящее время на шахтах и рудниках еще находятся в эксплуатации коммутационные аппараты, в которых в каче­стве средства защиты от токов к. з. применяются плавкие пре­дохранители. К ним относятся магнитные пускатели типов ПМВ, ПМВР, ПМВИ, ПМВИР, ручные пускатели типов ПРВ и ПРШ. Наряду с этим плавкие предохранители применяются в некоторых станциях управления, в пусковых агрегатах типов АП, АК, АБК, в осветительных трансформаторах передвижных подстанций, в ячейках ВН, в цепях управления устройств авто­матики, сигнализации и т. д.

В подземных сетях защита с плавкими предохранителями имеет двухфазное исполнение.

Практика эксплуатации подземного электрохозяйства пока­зала, что применение первичного электромагнитного реле в качестве средства защиты от токов к. з. имеет ряд недостатков

Это обусловило разработку устройств, в которых устра­нены недостатки первичных электромагнитных реле. К таким устройствам относится максимальная токовая защита УМЗ, принципиальная схема которой приведена на рис. 5.6.

Схема состоит из двух одинаковых цепей, каждая из кото­рых включает в себя трансформатор тока, шунтирующие со­противления R_ш, R_П, регулировочное сопротивление R2, выпря­мительный мост UZ и исполнительное электромагнитное реле постоянного тока К. Сопротивление R_ш присоединено непосред­ственно к вторичной обмотке трансформатора тока ТА, а со­противление R_П- через переключатель S, который в рабочем режиме замкнут. Таким образом, параллельно вторичной об­мотке трансформатора тока ТА оказывается присоединенным шунтирующее сопротивление

Ток I₂ вторичной обмотки трансформатора тока, определяе­мый первичным током I и коэффициентом трансформации, создает на шунтирующем сопротивлении R1 напряжение, которое подается на выпрямительный мост, нагрузкой которого является электромагнитное реле. Таким образом, исполнитель­ное реле присоединяется к схеме как реле напряжения. В этом случае , при подаче на обмотку реле выпрямленного напряже­ния, ток в обмотке изменяется по экспоненциальному закону с постоянной времени, определяемой соотношением величин активных сопротивлений элементов схемы и индуктивности катушки реле.

Особенность защиты УМЗ состоит в том, что параметры шунтирующих сопротивлений и катушки реле выбраны такими, что магнитный поток в магнитопроводе при переходных про­цессах в сети, обусловленных пусковыми токами электродвига­теля, не достигает потока трогания реле. Это дает возможность практически отстраивать защиту УМЗ по фактическому пуско­вому току электродвигателя, что позволяет значительно рас­ширить зону ее действия [29].

Выбор требуемых уставок срабатывания защиты УМЗ про­изводится при помощи регулировочных сопротивлений R2. Проверка действия защиты УМЗ производится поочередно для каждой цепи защиты. При этом, не изменяя уставок защиты, при которых она отстроена от пусковых токов присоединен­ного электродвигателя, сопротивление R_П отключается пере­ключателем S от проверяемой цепи защиты. Тогда общее сопротивление, присоединенное параллельно вторичной об­мотке трансформатора тока ТА, увеличивается и становится равным R_Ш. В этом случае при пуске электродвигателя защита УМЗ должна сработать, поскольку напряжение на зажимах реле повысится.

Защита УМЗ применяется в магнитных пускателях типов ПВИ, ПВИР, ПВ, в станциях управления типа МСВ, СУВ на напряжения 380—1140 В.

В распределительном устройстве низшего напряжения (НН) трансформаторной подстанции ТСВП-630/6-1,2 и авто­матическом выключателе АВ-320ДО2 на напряжение 1140 В применяется максимальная токовая защита ПМЗ, принципи­альная схема которой приведена на рис. 5.7.

Защита состоит из установленных в трех фазах сети транс­форматоров тока ТА1, ТА2, ТАЗ типа ТТЗ с шунтирующими резисторами и блока защиты, в котором на печатных платах размещены остальные элементы схемы. Между началами сое­диненных в звезду вторичных обмоток трансформаторов тока и нулевым проводом присоединены измерительная и исполни­тельная части схемы защиты.

Измерительная часть схемы включает в себя трехфазный выпрямитель, собранный на диодах VD7—VD9; делитель на­пряжения на резисторах R4—R7; полупроводниковое реле к. з., состоящее из стабилитрона VD11, диода VD12, конденсаторов С1 и С2, резисторов R8 и R9, тиристора VS1. Вход полупро­водникового реле к. з. присоединен к делителю напряжения, а выход — к управляющему электроду тиристора VS2.

Исполнительная часть схемы состоит из трехфазного вы­прямителя, собранного на диодах VD1, VD3 и VD5; диода VD16; обмотки независимого расцепителя QF1 автоматичес­кого выключателя; тиристора VS2 и диода VD10. Параллельно обмотке независимого расцепителя QF1 присоединена одна из обмоток двухобмоточного реле К с магнитной защелкой.

Для обеспечения взаимозаменяемости блоков защиты необ­ходимо, чтобы во всем диапазоне регулирования уставок магнитопровод трансформаторов тока был не насыщен. И только при токах к. з., превышающих верхнюю уставку срабатывания устройства защиты более чем в полтора раза, для исключения появления больших значений напряжения, а следовательно, обеспечения надежности элементов схемы требуется насыще­ние магнитопроводов трансформаторов тока. Для этого парал­лельно измерительной части схемы через переключатель Sb присоединяется трехфазный выпрямитель, последовательно с вентилями VD2, VD4, VD6 которого соответственно вклю­чены резисторы Rl, R2, R3.

Питание исполнительной части схемы от трансформатора тока осуществляется напряжением, снимаемым с резистора R, а питание измерительной части схемы — напряжением, снимае­мым с параллельно соединенных резисторов R и с одного из резисторов Rl (R2, R3) дополнительного трехфазного выпря­мителя. Очевидно, на измерительную часть схемы подается меньшее напряжение, чем на исполнительную. При этом сопро­тивление резисторов Rl, R2, R3 выбирается из условия обеспе­чения линейной вольт-амперной характеристики.

Величина уставки тока срабатывания защиты выбирается установленным в одном из плеч делителя напряжения перемен­ным резистором R5.

При возникновении в защищаемой сети аварийного тока, превышающего величину уставки защиты, напряжение с рези­стора R, пропорциональное вторичному току трансформаторов тока ТА1—ТАЗ, подается на электроды силового тиристора VS2, а напряжение с параллельно присоединенных резисторов R и Rl (R2, R3) —на делитель напряжения. Если ток в сети достигает величины, при которой напряжение на плече делителя с резисторами R6 и R7 превышает напряжение стабилизации стабилитрона VD11, то подается сигнал на управляющий электрод тиристора VS1, вызывая его отпирание и подачу тока смещения на управляющий электрод силового тиристора VS2. При этом тиристор VS2 отпирается, что вызывает срабатыва­ние независимого расцепителя QF1 автоматического выключа­теля и поляризованного реле К, рабочая обмотка которого включена параллельно обмотке указанного расцепителя. Замы­кающий контакт реле К включает цепь сигнализации о сраба­тывании защиты, а размыкающий контакт, разрывая цепь питания нулевого расцепителя автоматического выключателя, блокирует его включение.

Возврат поляризованного реле К в исходное состояние осу­ществляется подачей с помощью кнопки S1 напряжения на его дополнительную обмотку от трансформатора управления TV. Привод кнопки S1 вынесен на наружную поверхность обо­лочки.

Для проверки действия защиты переключатель Sb уста­навливается в положение «Проверка», при котором общая точка выпрямителя, собранного на диодах VD2, VD4 и VD6 с резисторами Rl, R2 и R3, оказывается отсоединенной от вто­ричных обмоток трансформаторов тока ТА1, ТА2 к ТАЗ. В ре­зультате этого при возникновении тока в первичной цепи на измерительную часть схемы напряжение подается не с парал­лельно соединенных резисторов R и Rl (R2 или R3), а с резис­тора R. Поэтому чувствительность схемы защиты ПМЗ повы­шается.

Проверку действия защиты производят при пуске наиболее мощного электродвигателя. Если уставка защиты выбрана из условия отстройки от пусковых токов присоединенного к вы­ключателю наиболее мощного электродвигателя, защита ПМЗ срабатывает. После проверки действия защиты ПМЗ переклю­чатель Sb устанавливается в положение «Работа».

В отличие от защит типа УМЗ и ПМЗ, реагирующих на величину тока в защищаемой сети, ИГД им. А. А. Скочинского разработана быстродействующая максимальная токовая за­щита (БМЗ), реагирующая на скорость изменения тока в сети, что обеспечивает ее высокое быстродействие. В качестве дат­чиков защитного устройства применены трансформаторы тока

ТA1—ТA3 (рис. 5.8), установленные в трех фазах сети и Вы­полненные на сердечнике из электротехнической стали с воз­душным зазором. Такие трансформаторы тока получили назва­ние трансреакторов.

Вторичные обмотки трансреакторов соединены по схеме звезда и через выпрямительный мост VD1—VD6 нагружены на сопротивление R1, величина которого и число витков вто­ричных обмоток трансреакторов выбираются исходя из усло­вия обеспечения минимальной угловой погрешности трансреак­торов (угол сдвига между установившимся током двухфазного к. з. и напряжением на сопротивлении R1) и минимальной ве­личиной тока двухфазного к. з., при которой устройство за­щиты срабатывает без пропусков. При этом считается, что защита отстроена от повторных пусков электродвигателя, ра­ботающего на холостом ходу.

Измерительным элементом защитного устройства служит стабилитрон VD7, включенный в цепь эмиттер — база транзис­тора VT1. Исполнительный орган защиты состоит из транзис­тора VT1, резистора R2, тиристора VS1, импульсного транс­форматора TV1 и источника питания. Величина уставки тока срабатывания защитного устройства устанавливается регули­руемым резистором R1.

Процесс срабатывания защитного устройства происходит следующим образом. При возникновении в защищаемой сети междуфазного к. з. во вторичных обмотках трансреакторов ТА1—ТАЗ наводится э. д. с., пропорциональная току к. з. На­пряжение на выходе вторичных обмоток трансреакторов, вы­прямленное трехфазным мостом, поступает на регулируемый резистор R1. С части резистора напряжение через стабилитрон VD7 поступает на переход база—эмиттер транзистора VT1. Если ток к. з. превышает величину уставки защиты, это на­пряжение оказывается больше напряжения стабилизации ста­билитрона VD7. Происходит его. пробой и, как следствие этого, отпирание транзистора VT1. Подается сигнал на управляющий электрод тиристора VS1. Он отпирается, давая возможность предварительно заряженному конденсатору СЗ разрядиться на первичную обмотку W импульсного трансформатора TV1. С его вторичных обмоток сигнал поступает в цепи головного и моторных короткозамыкателей и самого выключателя, вызывая их срабатывание.

Защита БМЗ, разработанная как один из элементов спе­циальной быстродействующей аппаратуры отключения, приме­няется в автоматических выключателях АБВ-250-У5. Она обла­дает значительно большим быстродействием по сравнению с защитами УМЗ и ПМЗ, имеет достаточную зону действия, более чувствительна к токам трехфазного к. з.

Достаточно эффективная тепловая защита обмоток руднич­ных электродвигателей может быть обеспечена при использо­вании дифференциального метода измерения теплового состояния

обмотки. Этот метод положен в основу разработанного ВНИИВЭ температурного реле ДТР-ЗМ, используемого для защиты от недопустимого нагрева обмоток комбайновых и конвейерных двигателей, двигателей вспомогательных меха­низмов: трансформаторной подстанции ТСВП-630/6-1,2. Осо­бенностью реле является то, что оно реагирует на температуру и на скорость ее роста в обмотке.

Температурное реле ДТР-ЗМ (рис. 5.9) состоит из тепло­изоляционного пластмассового корпуса 1, теплопроводящей медной крышки 2, теплочувствительного элемента, выполнен­ного из двух термобиметаллических пластин 4 и 5, серебря­ных контактов 7 и 8 и установленной на контактной пластине 6 изоляционной прокладки 9, создающей электрическую изо­ляцию между контактной группой и крышкой реле- Для регу­лирования уставки срабатывания защиты в зависимости от класса изоляции в конструкции реле имеется специальный винт 10.

Реле в двигателе устанавливается так, что теплопровод­ная крышка его находится в непосредственном тепловом кон­такте с изоляцией. Такое расположение реле, а также выпол­нение корпуса из теплоизоляционного материала создают благоприятные условия для направленного движения теплового потока от обмотки двигателя через крышку 2 реле к теплочув-ствительным пластинам 4 и 5, имеющим различные тепловые сопротивления относительно обмотки. Пластины при нагреве из­гибаются в одну и ту же сторону и совместно воздействуют на контактную группу. Разомкнутое или замкнутое состояние кон­тактов определяется степенью изгиба пластины 4 относительно пластины 5.

При длительных перегрузках, когда ток не превышает 1,2— 2-кратного значения номинального тока, скорость роста темпе­ратуры обмотки не превосходит 0,5° С/с. При такой скорости повышения температуры вследствие незначительного темпера­турного перепада между пластинами 4 и 5 происходит примерно одинаковый их изгиб, а следовательно, и совместное движение. При достижении предельно допустимого значения температуры обмотки движение пластины 5 приостановится регулировочным винтом 10 (рис. 5.9, а), вследствие чего при дальнейшем уве­личении температуры под действием пластины 4 при помощи штифта 3 произойдет размыкание контактов реле.

В аварийных режимах (опрокидывание двигателя, режим к. з.) вследствие прохождения по обмотке двигателя пускового тока скорость роста температуры обмотки резко возрастает. При этом между пластинами 4 и 5 устанавливается темпера­турный перепад, пропорциональный скорости роста температуры обмотки. Пластина 4 изгибается больше, чем пластина 5, и размыкание контактов наступает до момента ее стопорения вин­том 10 (рис. 5.9,6), т. е. при значительно меньшей темпера­туре на крышке, чем в режиме небольшой перегрузки. Чем больше скорость роста температуры обмотки в аварийном ре­жиме, тем меньше температура на крышке реле в момент сра­батывания и ниже уставка срабатывания реле.

Рациональная тепловая защита позволяет повысить срок службы рудничных электродвигателей с удлинением срока меж­капитальных ремонтов: уменьшить число простоев горных машин и механизмов, связанных с заменой электродвигателей, сократить обменный фонд рудничных электродвигателей. Созда­ние такой защиты упирается в задачу достаточно точного

моделирования тепловых процессов в рудничных электродвигателях. Выполненные в последние годы ПО «Кузбассэлектромотор» и МГИ исследования показали, что защита взрывозащитных электродвигателей от перегрева при перегрузках и аварийных режимах может быть достигнута моделированием теплового со­стояния обмотки электрическим аналогом на базе активно-ем­костного контура. На основе этих исследований разработаны схемы и блок аналоговой защиты взрывозащищенных двига­телей с изоляцией классов В и Н от перегрева при перегруз­ках, повторно-кратковременных и аварийных режимах.

Структурная схема аналоговой защиты (рис. 5.10) состоит из датчиков тока / и напряжения 2, квадраторов тока 3 и на­пряжения 4, сумматора 5, теплового аналога 6, усилителя 7 и исполнительного органа 8, В электрическом отношении схема защиты представляет собой RC-цепочку, на вход которой по­дается напряжение, пропорциональное квадратам тока нагрузки и напряжения. Перегрев, пропорциональный квадрату напряже­ния, вводится в аналог в виде постоянной величины.

На рис. 5.11 приведена схема теплового аналога для пу­скателя на номинальный ток 250 А, в которой трансформатор тока ТА является элементом, реагирующим на ток нагрузки. Напряжение, снимаемое с резистора R2, с помощью которого устанавливают уставки по току двигателя, после выпрямления подается на тепловой аналог.

Цепочка R4—VD5—Cl—R5 является реагирующим звеном для автозащиты двигателей в повторно-кратковременном ре­жиме, при котором энергия заряда конденсатора С1, отдавае­мая конденсатору С2, пропорциональна нагреву за один пуск. Кроме того, данная цепочка служит фильтром напряжения только в перегрузочных режимах. В номинальном режиме кон­денсатор С1 заряжается пульсирующим напряжением, так как стабилитрон VD5 пропускает только определенную часть полу­периода. При перегрузке стабилитрон VD5 пробивается и за счет улучшения фильтрующих свойств конденсатора С1 повы­шается среднее значение напряжения, подаваемого на заряд­ный контур R10—С2. Одновременно напряжение U, пропор­циональное квадрату тока нагрузки и подаваемое на зарядный контур, увеличивается с ростом напряжения на конденсаторе С2, что особенно важно в режимах небольших перегрузок.

Цепочка R5—R6—R7 и контакт К определяют разряд кон­денсатора С2 в соответствии с характеристиками охлаждения вращающихся и невращающихся двигателей. Диод VD6 исклю­чает шунтирование цепей заряда конденсаторов С1 и С2, ха­рактеристики заряда конденсатора С2 по электрическим цепоч­кам R10—C2, VD8—R9—C2 и VD7—R8—C2 идентичны тепло­вым характеристикам двигателей в различных режимах.

Корректировка постоянной времени охлаждения в период работы и паузы осуществляется резисторами R6 и R7 с по­мощью перекидного контакта К промежуточного реле. Перемычка

Рис. 5.10. Структурная схема анало­говой защиты

Рис. 5.11. Принципиальная схема тепловой модели (аналога) двига­теля для пускателя на номинальный ток 250 А

П служит для подключения цепочки VD7—R8 для дви­гателей ЭДКО.

Разработанные блоки аналоговой защиты применяются в пу­скателях ПМВИ-61, намечены к применению в пускателях ПВИ-250 и в пускателях с вакуумным контактором.

Кроме основного своего назначения — защиты от самопро­извольного включения, предотвращающей травматизм и меха­нические и электрические повреждения электроустановок, за­щита минимального напряжения и нулевая защита в подзем­ных условиях исключают возможность одновременного пуска всех двигателей, питающихся через групповой отключающий аппарат. Осуществление с помощью включающей катушки кон­тактора нулевой защиты значительно облегчает реализацию других видов защиты, поскольку отключения аппарата при их срабатывании можно весьма просто достичь, вводя в цепь ка­тушки контакты этих защит.

Двигатели забойных машин пускаются часто и с малыми паузами. Поэтому для них приходится применять защиту от частых пусков, точнее от перегревов, обусловленных пусковыми токами вне зависимости от продолжительности пуска и от того, разворачивался или остался неподвижным двигатель. Такая защита может быть осуществлена:

использованием защит от перегрузок, рассмотренных ра­нее;

применением специальных схем, принудительно увеличиваю­щих продолжительность пауз между двумя последующими пусками. Например, в пускателях типа ПВИ в схеме управле­ния есть узел реле выдержки времени, обеспечивающий вы­держку примерно 3 с, что ограничивает число включений пускателя до 1200 в 1 ч.