Захист від струмів короткого замикання

Основні причини виникнення струмів короткого замикання в елект-роустановках геотехнічних виробництв:

– пошкодження кабелів породою, яка обвалилася (29,2 %);

– висмикування кабелів із вводів електрообладнання в результаті механічної дії на кабелі, спричиненої переміщенням вибійного обладнання (45,8 %);

– пошкодження міжфазової ізоляції (4,2 %);

– неправильний монтаж електрообладнання (8,3 %);

– інші пошкодження кабелю (12,5 %).

Короткі замикання є причиною 65 % пожеж і 35 % вибухів у шахтах.

Основні вимоги до захисту від струмів короткого замикання:

– висока чутливість, коефіцієнт чутливості

Кч = Ік.з.min/Іс  1,5(1,25),

де Ік.з.min – мінімальне значення струму короткого замикання в зоні захисту, А; Iс – струм спрацювання захисту, А; Кч = 1,25 допускається, якщо електрична мережа виконана броньованими або гнучкими екранованими кабелями і коротке замикання супроводжується витоком на землю та спрацюванням захисту від струмів витоку на землю. Коефіцієнт чутливості вибирають відповідно до умови забезпечення надійного спрацювання максимального захисту;

– висока швидкодія для забезпечення пожежобезпеки кабелів. Якщо Кч = 1,5, то час відключення не повинен перевищувати 0,2 с (для пускачів та високовольтних розподільних пристроїв) і 0,1 с (для автоматичних ви-микачів); – зона дії максимального захисту – це граничний опір мережі, за яко- го ще забезпечується захист від струмів короткого замикання з необхід- ним коефіцієнтом чутливості. Зона дії захисту від струмів короткого за- микання має перевищувати граничний опір мережі Zм. н, вибраний за умо- ви нормальної експлуатації обладнання:

Zм. н = (0,53–0,7) Zдв.п,

де Zдв.п – опір фази електродвигуна в пусковому режимі, Ом. Вирішення проблеми селективності максимального захисту можливе з використанням систем автоматичного повторного вмикання (АПВ) з попередньою перевіркою стану ізоляції та струмових реле з обмежено залежною витримкою часу з відсічкою за струмом. Засоби АПВ з попередньою перевіркою опору ізоляції мережі перед увімкненням передбачають наявність у комутаційних апаратів приводів дистанційного вмикання, що значно ускладнює апаратуру.

Проте відповідно до правтл безпеки у вугільних шахтах дистанційне, телемеханічне та автоматичне керування електроприймачами напругою понад 1200 В дозволяється лише за наявності пристроїв, що блокують увімкнення після спрацювання максимального струмового захисту або захисту від замикань на землю (за винятком ліній, що живлять ЦПП або РПП-6).

В електричних мережах можуть виникати як однофазні замикання на землю, так і міжфазні короткі замикання. На геотехнічних виробництвах основною є система електричної мережі з ізольованою нейтраллю трансформатора. Систему із заземленою нейтраллю використовують лише для живлення електроприймачів промислових майданчиків. На відміну від системи із заземленою нейтраллю трансформатора, де кожне замикання на землю є коротким замиканням, у системі з ізольованою нейтраллю струми однофазного замикання на землю (струми витоку на землю) не досягають значних величин. Розрахункову схему заміщення та векторні діаграми струмів міжфазних коротких замикань у мережі з ізольованою нейтраллю у разі відключеного навантаження показано на рис. 4.2. У рудникових електроустановках невеликою є потужність джерела живлення трансформатора і відносно значною може бути потужність 229

споживача, тобто порівнянною з потужністю джерела. В цьому випадку на струми короткого замикання у фазах (в реле максимального захисту) впливають струм навантаження, які в пошкоджених фазах накладаються на струми короткого замикання в цих фазах.

Лекція № 20

Тема 21. Захист від перевантажень. (2 години)

У процесі експлуатації електроустановок виникають перевантаження електродвигунів та комутаційно-пускової апаратури з різних причин: технологічних; у разі пошкодження машин і механізмів, що зумовлюють підвищення моменту опору; у разі відхилень напруги на затискачах спо- живача від номінальної та ін. Перевантаження обладнання пов’язані з рі- зким підвищенням струму, що споживається електродвигунами, і відпо- відним підвищенням температури струмоведучих частин та ізоляції. Це призводить до зменшення строку служби ізоляції, який з достатньою для практики точністю визначається залежно від температури нагрівання ви- разом

, обм обм ln 2 0 T T e    

де Т0 – строк служби, що відповідає постійній номінальній температурі; обм – температура обмотки, ºС; обм – постійна величина прирощення температури, за якої строк служби ізоляції скорочується у два рази (8; 10; 12 ºС відповідно для класів ізоляції А, В, Н). Режим перевантаження еле-ктрообладнання, пов’язаний зі зменшенням строку служби ізоляції, не може бути тривалим. Для захисту електрообладнання від недопустимого перегрівання розрахунок нестаціонарних теплових процесів значно спрощують. Беруть до уваги особливості режиму перевантаження та по- чаткового теплового стану найбільш відповідальних вузлів електрообла- днання.

Залежно від умов забезпечення захисту електродвигунів і характеру проходження в них теплових процесів перевантаження умовно поділяють на малі – (1,1–1,15) Ін; середні – (1,2–1,5) Ін і великі – понад 1,5Ін. Крім цього, розглядають аварійний режим роботи короткого замикання двигу- на, коли по його обмотках проходить пусковий струм (5–7) Ін.

Рівняння нагрівання тіла з холодного стану має вигляд

 = с (1–е-t/Тн),

а з нагрітого стану:

 = с (1–е-t/Тн) + ое-t/Тн,

де с – кінцеве перегрівання тіла за сталого теплового стану; о – переви- щення температури тіла над температурою зовнішнього середовища; Тн – по- стійна часу нагрівання; t – поточний час нагрівання. Графічно рівняння на- грівання показано на рис. 4.8.

З достатньою точністю можна стверджувати, що тепловий режим досягає сталого стану за проміжок часу t = (3–4)Tн.

У загальному випадку допустимий час перевантаження є пропорцій- ним величині Tн. Якщо електродвигун до перевантаження довгий час працював з довільним навантаженням Р0, за якого його температура була 0, допустимий час перевантаження (tпер) можна визначити із залежності:

, пер н г доп 0 2 max н 1 ln1 п Т t К      де г доп – граничнодопустима температура для відповідного класу ізоля- ції; Кп – кратність перевантаження за струмом; max н = Qн/С – максима- льна температура за номінального струму двигуна в сталому режимі, як- що t = ; Qн – кількість тепла, що виділяється в двигуні за номінального струму; С – теплоємність двигуна.

Рис. 4.8. Криві нагрівання однородного тіла: 1 – з холодного стану; 2 – з нагрітого стану

Якщо двигун працює в тривалому режимі, то функція захисту від пере- вантаження спрощується. Коли двигун починає споживати більший струм, захист повинен вимкнути двигун за час, протягом якого його обмотки нагрі- ваються не вище (1,1–1,2) г доп. У промисловості для захисту від переван- таження широко застосовують теплові реле, виконані на основі біметалевої пластини (рис. 4.9).

Час, протягом якого температура термоелемента з початкової 0р підвищується до максимальної сталої max p, за якої спрацьовує реле:

, max p c н. р 0p max p ln t T      де Тн. р – постійна нагрівання теплового реле (2–5 хв для реле прямого на-гріву і 15–20 хв для реле побічного нагрівання); max p – максимальна гранична температура теплового елемента (у межах 120–150 оС).

Виконання вимог захисту двигуна від перевантаження досягається за умови, що постійні часу нагрівання двигуна (Тн) та реле (Тн. р) майже однакові. На практиці вони значно розрізняються (постійні на-грівання електродвигунів становлять 45–180 хв). Тому захист, що побічно контро-лює нагрівання, забезпечує відносно за-довільні результати лише за роботи двигунів у тривалому режимі, тому що до-зволяє точно стежити за тепловим станом двигуна. Але більшість електродвигунів підземних машин і механізмів працюють в переривчастому режимі (коро-ткочасному чи повторно-короткочасному). Для цих режимів тепловий захист від перевантаження працює зовсім незадовільно. Тому в сучасному рудниковому електрообладнанні тепловий захист за допомогою теплових реле не використовується. Для контролю за станом нагрівання руднико-вих електродвигунів використовують температурні пристрої захисту, що вмонтовуються в обмотки двигунів (трансформаторів) і контролюють безпосередньо температуру їх нагрівання. Реагувальний орган захисного пристрою повинен мати мінімально можливі габарити, які дозволять мо-нтажувати його в найбільш нагріті точки обмотки, та забезпечувати миттєве спрацювання і самоповернення у вихідне положення.

Рис. 4.10. Термобіметалевий датчик температури ТМ-4: 1 – термобіметалева пластина; 2 – гвинт регулювання; 3, 4 – контакти; 5 – контактна пружина; 6 – корпус латунний

Як такі пристрої набули поширення біметалеві датчики (пластини) та схеми з використанням напівпровідникових елементів  термісторів і позис-торів. Найпростіші пристрої – це термобіметалеві датчики типу ТМ (рис. 4.10). Вони вмикаються в коло дистанційного керування пускача.

За допомогою таких пристроїв (постійна часу нагрівання датчика ста-новить 55 с) забезпечується захист двигунів, у яких, в режимі короткого за-микання, швидкість наростання температури в обмотці не перевищує 2оС/с.

У двигунах вибійних машин та високошвидкісних двигунах підви-щення температури обмоток у режимі короткого замикання використан-ня термодатчиків з малою постійною часу не забезпечує ефективного теплового захисту обмоток. Тоді ефективного захисту можна до-моготися диференцальним мето-дом контролю теплового стану обмоток. Для цього існують ди-ференціальні температурні реле типу ДТР, які реагують як на те-мпературу, так і на швидкість її наростання (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Диференціальне температурне реле: 1 – теплоізоляційний корпус; 2 – тепло-провідна кришка; 3 – регулювальний гвинт швидкості наростання температури; 4 – тер-мобіметалева пластина; 5, 6 – контакти; 7, 8 – компенсаційні пластини; 9 – регулюва-льний гвинт уставки спрацювання 242

За довготривалого режиму роботи двигуна і поступового зростання температури пластинки 4 і 7 нагріваються майже однаково і мають одна-ковий хід. Із досягненням температури уставки спрацювання пластина 7 упирається в гвинт і з подальшим підвищенням температури пластина 4 вигинається більше і своїм штифтом розмикає контакт. У разі швидкого нарощування температури обмоток в аварійному режимі пластина 4, яка контактує з металевою кришкою, згинається швидше і своїм штифтом діє на пластину 8, розмикаючи контакт, тобто спрацьовує за значно меншої температури обмоток, ніж за сталого режиму.

Більш сучасним є захист від перевантаження за допомогою напівп-ровідникових датчиків – позисторів чи термісторів. Характеристики їх показано на рис. 4.12. Вони показують, що з підвищенням температури опір термісторів падає, а позисторів – зростає. В зоні нагрівання обмоток електродвигунів (65...140 ºС) зміна опору в позисторів значно вища, ніж у термісторів, тобто захист, виконаний на позисторах, є більш чутливим.

Рис. 4.12. Залежності опору терморезисторів від температури (а); схема підключення (б) 243 Ефективним може бути аналоговий захист, що грунтується на моде- люванні теплового стану за допомогою активно-ємнісного контуру і за- безпечує захист в усіх режимах перевантаження та аварійних режимах. Постійна часу заряду контуру підбирається близькою до постійної часу на- грівання двигуна в номінальному режимі та в разі перевантаження. Недо- ліком цього захисту є те, що він не враховує умов експлуатації двигуна, його охолодження.

Структурну схему аналогового захисту показано на рис. 4.13.

На практиці широкого використання набув захист від несиметричних режимів роботи електродвигунів типу КОРД (рис. 4.14). Ним забезпечуєть- ся також захист від несиметричних режимів у разі технологічних переван- тажень, та під час запуску двигуна, який затягнувся або він не відбувся. Пристрій захисту типу КОРД випускається у трьох варіантах: КОРД1 – для вимкнення двигуна у разі його перекидання або незаверше- ного запуску; КОРД2 – для контролю роботи двигуна за струмом і захис- ту його у разі перевантажень; КОРД3 – для автоматичного вимкнення двигуна в разі його перекидання та незавершеного запуску, а також для виконання однієї із функцій контролю за струмом, у разі роботи двигуна за технологічних перевантажень або обриву однієї із фаз.

Лекція № 21, 22

Тема 22. Блискавкозахист. Захист від перенапруг в електроустановках.(4 години)

Найбільш небезпечний прояв блискавки з погляду ушкодження будівель та споруд – прямий удар. На практиці для захисту будівель та споруд від прямих ударів блискавки найбільшого поширення набули стрижневі та тросові блискавковідводи. Кожний блискавковідвід складається із блискавкоприймача, що безпосередньо сприймає прямий удар блискавки; несучої конструкції, призначеної для установлення блискавкоприймача; струмовідводу, що забезпечує відведення струму блискавки в землю, та заземлювача, який відводить струм блискавки в землю і забезпечує кон-такт із землею блискавкоприймача та струмовідводу. Стрижневі блискав-коприймачі виготовляють з прокатної сталі різного профілю.

Як тросовий блискавкоприймач часто використовують оцинкований спіральний канат. Для струмовідводу можна використовувати круглу сталь і стальний канат діаметром 5–6 мм або прямокутну та кутову стальні штаби. На металевих або залізобетонних блискавковідводах струмовідводом може служити металева ферма або стальна арматура конструк-ції. Дерев’яні та залізобетонні несучі конструкції мають висоту 8–20 м. Металеві блискавковідводи широкого використовують для захисту висо-ких протяжних об’єктів, коли висота блискавковідводу становить 20–30 м. Оптимальна висота несучих конструкцій окремо розташованих блис-кавковідводів (тросових та стрижневих) не перевищує 45–50 м.

Залежно від особливості конструкції захисного об’єкта та умов його розміщення стрижневі і тросові блискавковідводи поділяють на одиночні, подвійні та багатократні (кількість електродів – не менше трьох, розта-шовані вони не в один прямий ряд).

Тип, кількість та взаємне розташування блискавковідводів визнача-ють геометричну форму зони захисту.

Під зоною захисту блискавковідводу розуміють частину простору, в середині якого будівля чи споруда захищена від прямих ударів блискавки з відповідним ступенем надійності. Розрізняють зони захисту типу А зі ступенем надійності 99,5 % і вище, і зону захисту типу Б зі ступенем на-дійності 95 % та вище. Тип зони захисту визначають класом вибухо- або пожежобезпечних зон приміщень чи зовнішніх технологічних установок, що захищаються, та інтенсивністю грозової діяльності на певній території (для електроус-тановок – у зонах захисту типу А).

Будівлі закритих підстанцій та розподільних установок (РУ) захищають у випадку, коли тривалість грозової діяльності перевищує 20 год/рік, заземлюючи несучі конструкції покрівлі або металеве покриття покрівлі. Якщо конструкція покрівлі не дозволяє використати таке заземлення, то на покрівлі будівлі встановлюють стрижневі блискавковідводи.

Відкриті РУ та підстанції захищають від прямих ударів блискавки (починаючи з номінальної напруги 20 кВ) стрижневими блискавковідводами, що встановлюють на конструкціях РУ. Підходи до повітряних ліній 35 кВ і вище захищають тросовими блискавковідводами на довжині 1–4 км залежно від напруги та конструктивного виконання ліній.

Лінії 110 кВ і вищі на залізобетонних та металевих опорах захищаються блискавкозахисними тросами по всій довжині.

Зона захисту одиночним стрижневим блискавковідводом висотою менше 150 м являє собою конус (рис. 4.24) з вершиною на висоті h0. Горизонтальні розрізи зони захисту на висоті об’єкта hх, що захищається, та на рівні землі являють собою круг радіусами r0 та rx. Наведені параметри зони захисту стрижневих блискавковідводів можна визначити із залежностей:

Рис. 4.24. Зони захисту одиночним стрижневим блискавковідводом

– для зони А:

r0 = (1,1–0,002 h)h;

rx = (1,1–0,002 h)(h–hх /0,85);

h0 = 0,85h;

– для зони Б:

r0 = 1,5 h;

rx = 1,5(h–hх /0,92);

h0 = 0,92h.

Зони захисту подвійних стрижневих блискавковідводів висотою до 150 м показано на рис. 4.25: з однаковими висотами блискавковідводів (а) і з різними (б).

Зони захисту подвійних стрижневих блискавковідводів висотою до 150 м показано на рис. 4.25: з однаковими висотами блискавковідводів (а) і з різними (б).

Торцеві ділянки зон захисту визначають як зони одиночних блискав-ковідводів (r0, h0, rх1, rх2 – за залежностями).

Зони захисту подвійним блискавковідводом мають такі розміри.

Зона А при L ≤ 3h:

– якщо L ≤ h, то hс = h0; rсх = rx; rс = r0;