Компенсация емкостных токов и защита от токов утечки
15 июня 2012
Использование электрической энергии в шахтах сопряжено с возникновением следующих опасных условий: поражением обслуживающего персонала электрическим током, взрывами метана, возникновением пожаров открытыми дугами, искрами и токами утечек. Для обеспечения максимальной безопасности эксплуатации электрооборудования в шахтах в ГОСТ 22929-78 «Аппараты защиты от токов утечки рудничные для сетей напряжением до 1200 В» сформулированы основные технические требования. Проведем анализ этих требований. В соответствии с ГОСТ кратковременный ток утечки не должен превышать 0,1 А, или количество электричества должно быть ограничено величиной 50 мА∙с. Снижение тока утечки до уровня 0,1 А возможно только при автоматической компенсации, а время настройки устройств автоматической компенсации не должно превышать 0,1 с. Выполнение этих требований сопряжено с серьезными трудностями. Кроме того, известные устройства автоматической компенсации являются достаточно сложными, что, в свою очередь, снижает надежность устройств защиты от токов утечки. В связи с этим широкое применение нашли неавтоматические устройства компенсации с индуктивным сопротивлением, соответствующим, например, 50 % предельной рабочей емкости сети. Такая компенсация позволяет снизить кратковременный ток утечки до 250-270 мА, поэтому для ограничения количества электричества до 50 мА∙с полное время отключения замыкания не должно превышать 185 мс.
Аппараты общесетевой защиты от токов утечки должны осуществлять непрерывный контроль активного сопротивления изоляции сети и обеспечивать ее отключение при снижении указанных сопротивлений ниже нормированных значений. Сопротивление срабатывания защиты при номинальном напряжении сети 1140 В должно составлять не менее Rуст. = 60 кОм, при этом измерительный ток общесетевой защиты должен быть не более 0,01 А при рекомендуемом наложенном напряжении Uнал. = 100 В. Для выполнения этих требований внутреннее сопротивление источника должно быть не менее Rвнутр. = 10 кОм.
Ток срабатывания защиты будет составлять 1,43 мА
Определим необходимую задержку в срабатывании защиты tзад для ее отстройки от режима подключения незаряженного кабеля с емкостью 1 мкФ на фазу.
Для обеспечения селективной работы ток заряда емкости сети должен снизиться до тока срабатывания защиты tзад = 58мс.
С учетом коэффициента надежности кн = 1,3 минимальное время задержки должно быть tзад = 58·1,3=75,4 мс. В то же время собственное время срабатывания аппарата общесетевой защиты при сопротивлении однофазной утечки 1 кОм не должно превышать 0,07 с при напряжении сети 1140 В (ГОСТ 22929-78), а полное время отключения — 0,12 с. Повысить быстродействие защиты можно за счет использования нарушения симметрии фазных напряжений (увеличения напряжения нулевой последовательности) при замыкании на землю. При этом аппарат защиты должен быть отстроен по времени только от разновременности замыкания контактов коммутирующего аппарата (выключателя, контактора). Для определения фазных напряжений, а также напряжения нулевой последовательности на рисунке приведена схема замещения сети с изолированной нейтралью.
Полученный результат показывает, что при максимальной емкости сети неправильное определение поврежденной фазы будет происходить при переходном сопротивлении 1,84 кОм и более. Следует отметить, что использование сочетания перечисленных выше принципов позволяет существенно повысить безопасность эксплуатации электроустановок в шахтах. Таким примером является модуль компенсации и защиты от токов утечки (МКЗУ), разработанный компанией EXC (Energy X Components). В модуле используется индуктивная компенсация тока утечки, настроенная на емкость сети 0,5 мкФ на фазу. Это позволило снизить кратковременный ток утечки через сопротивление 1кОм с 450 мА (при отсутствии компенсации) до 290 мА. Короткозамыкатель правильно определяет поврежденную фазу при сопротивлении утечки до 10 кОм, при этом ток утечки не превышает 60 мА. При отсутствии компенсации емкостного тока поврежденная фаза, как это было показано выше, определяется правильно при сопротивлении утечки до 1,84 кОм. При этом ток утечки составляет 310 мА (Сф = 1 мкФ). В модуле также предусмотрена быстродействующая защита по напряжению нулевой последовательности с уставками, определенными выше. Измерение текущего сопротивления изоляции производится с использованием постоянного наложенного напряжения 200 В, что обеспечивает достаточно высокую точность измерения. Результаты измерения используются для мониторинга вели- чины сопротивления изоляции, а также для защиты от токов однофазной утечки при переходном сопротивлении более 10 кОм и при симметричном снижении сопротивления изоляции трех фаз. Производственные испытания модуля МКЗУ-1,14-1Ш с использованием вакуумного выключателя EX-BB6-20/1000-2, также выпускаемого на заводах компании ЕХС, показали следующие результаты (см. таблицу).
Выводы
1. Обеспечить требования ГОСТ к защитным аппаратам по чувствительности к токам утечки и быстродействию возможно путем совместного использования принципа контроля сопротивления изоляции наложенным напряжением постоянного тока и контроля напряжения нулевой последовательности.
2. Неавтоматическая компенсация емкостного тока утечки, на- строенная в резонанс на емкость 0,5 мкФ, позволяет, во-первых, повысить значение переходного сопротивления, при котором достоверно определяется поврежденная фаза, с 1,8 до 10 кОм при максимальной емкости сети 1 мкФ на фазу, а во-вторых, снизить кратковременный ток утечки примерно в 1,5 раза.
3. Испытания МКЗУ-1,14-1Ш показали, что максимальное значение количества электричества в месте замыкания не превышает 10 мА∙с, что в пять и более раз меньше нормированного значения 50 мА∙с. Это, в свою очередь, обеспечивает высокий уровень электробезопасности обслуживания персонала.
Журнал «Уголь», Май 2012 год
