Wpływ konfiguracji kopalnianych

Henryk Klein
OPA-Labor Sp. z o.o.
Wpływ konfiguracji kopalnianych oddziałowych sieci 6 kV na
dopuszczalne nastawienia nadprądowych zabezpieczeń
zwarciowych.
Streszczenie.W referacie, na podstawie wybranych przykładów, przedstawiono wpływ, jaki na
dopuszczalne przedziały nastawień zabezpieczeń mają decyzje określające sposób połączeń
oddziałowych sieci kopalnianych oraz sposób zasilania odbiorów końcowych.
1. Wstęp.
Zasadnicze kryteria determinujące sposób konfiguracji sieci kopalnianych mają przesłanki
zarówno ekonomiczne, jak i techniczno-ruchowe, przy czym na poziomie sieci
oddziałowych do najistotniejszych naleŜą:
• istniejąca struktura sieci oddziałowej , wyposaŜenie i obciąŜenie rozdzielnic;
• posiadane rezerwy kabli, pól rozdzielczych, stacji transformatorowych;
• moŜliwość zasilenia większej liczby odbiorów przy minimalizacji nakładów
inwestycyjnych – co często sprowadza się do takiej konstrukcji sieci, przy której
obciąŜenie poszczególnych jej elementów leŜy na granicy wartości
dopuszczalnych ;
• warunki górniczo-geologiczne i wentylacyjne panujące w wyrobiskach w których
– potencjalnie – moŜna prowadzić kable oraz lokalizować pola rozdzielcze i stacje
transformatorowe;
• czas dojścia (dojazdu) obsługi do poszczególnych rozdzielnic, co jest istotne ze
względu na czas trwania ewentualnych przerw w zasilaniu (np. poawaryjnych);
Na wymienione przesłanki nakłada się konieczność spełnienia wymagań odpowiednich
przepisów, w tym takŜe dotyczących wymagań odnośnie sposobów i skuteczności
działania układów zabezpieczających.
W związku ze złoŜonością zagadnienia, przy uwzględnianiu formalnych wymagań
przepisów i norm, częstokroć umyka uwadze ich fizykalna podstawa.
W praktyce eksploatacyjnej niejednokrotnie mamy do czynienia z przypadkami
nieprawidłowego działania automatyki zabezpieczeniowej - zarówno zadziałań zbędnych,
jak i brakujących, i to często występujących łącznie podczas jednego zakłócenia.
Część spośród tych zdarzeń jest nieuchronną konsekwencją załoŜeń przyjętych przy
planowaniu rozwoju i konfiguracji sieci.
2. Zasilanie transformatorów oddziałowych.
Wobec wzmoŜonej koncentracji wydobycia, i nasycenia procesu technologicznego
środkami technicznymi – w znakomitej większości zasilanymi energią elektryczną –
rośnie łączna moc zainstalowana urządzeń związanych z określoną ścianą wydobywczą.
Jednocześnie rośnie zróŜnicowanie mocowe transformatorów 6kV/DN zasilających te
urządzenia.
Z drugiej strony w chwili obecnej nie ma przepisów regulujących dopuszczalną liczbę
transformatorów zasilanych wspólnie z jednego pola rozdzielczego 6 kV. W efekcie
niejednokrotnie powoduje to trudności w prawidłowym zabezpieczeniu odpływów
transformatorowych. Przeanalizujmy zatem wpływ poszczególnych elementów układu
zasilającego oraz odbioru na moŜliwość prawidłowego nastawienia – a co za tym idzie
pracy – zabezpieczeń nadprądowych.
Na Rys. 1 przedstawiono przykładowy fragment sieci elektroenergetycznej zasilającej
wybrany odcinek ciągu technologicznego.
Prąd rozruchowy zabezpieczenia zwarciowego bezzwłocznego Inast mierzony po
stronie 6 kV, w punkcie zabezpieczeniowym 1 musi spełnić znany układ nierówności:
2)
k s I k"(min
≥ I nast≥ I rob max ;
kc
(
I rob max = max k s k nz I omT ; k zT
(1)
∑ I nT ),
(2)
gdzie:
• Ik min”(2)- minimalna wartość początkowego prądu zwarciowego w strefie
zabezpieczanej;
• kc – współczynnik czułości wynoszący 1,3 dla odbiorów zainstalowanych w
pomieszczeniach niezagroŜonych wybuchem i 1,5 w pomieszczeniach
zagroŜonych wybuchem;
• ks – współczynnik schematu, którego wartość zaleŜy od sposobu połączenia
układu pomiarowego zabezpieczenia;
• knz – współczynnik niezawodności o zalecanych wartościach 1,25÷1,5;
• IomT – maksymalny prąd roboczy transformatora (transformatorów) wyliczony
przy załoŜeniu rozruchu grupy silników z rozruchem jednoczesnym o największej
wartości prądu rozruchowego i ustalonego obciąŜenia pozostałych odbiorników;
• kzT – współczynnik udaru prądu magnesującego przy załączaniu transformatora;
• InT – znamionowy prąd transformatora;
Dla zabezpieczeń zwarciowych zwłocznych, przy wyznaczaniu maksymalnego prądu
roboczego nie bierze się pod uwagę warunku wynikającego z udaru prądu magnesującego
załączanych transformatorów.
Zabezpieczenia chroniące odpływy końcowe zlokalizowane w przestrzeniach nie
zagroŜonych wybuchem (pomieszczenia w pokładach niemetanowych lub ze stopniem „a”
niebezpieczeństwa wybuchu metanu oraz klasy „A” zagroŜenia wybuchem pyłu
węglowego) mogą działać ze zwłoką czasową nie przekraczającą 0,6s. Zabezpieczenia
odpływów końcowych zlokalizowanych w przestrzeniach zagroŜonych wybuchem
(odpowiednio: pomieszczenia ze stopniem „b” lub „c” lub klasy „B”) muszą działać
bezzwłocznie.
Rys. 1
Prąd Ik min”(2) brany pod uwagę przy ocenie nastawienia zabezpieczenia w punkcie
zabezpieczeniowym 1 jest najmniejszym z pośród prądów zwarciowych mogących
wystąpić przy metalicznych zwarciach w punktach A, B, C i D.
Brak spełnienia lewej strony nierówności (1) powoduje, iŜ moŜliwe staje się powstanie
zwarcia niewykrywalnego dla zabezpieczenia. Z kolei brak spełnienia prawej strony
tychŜe nierówności grozi występowaniem zbędnych wyłączeń przy normalnych
obciąŜeniach ruchowych.
Dla zilustrowania przedstawionego przykładu wstępnie przyjęto zestawione w
Tabeli 1, typowe dla spotykanych konfiguracji sieci kopalnianych wartości parametrów
urządzeń oraz wynikające z nich wartości rezystancji i reaktancji, obliczone dla napięcia
6 kV.
W Tabeli 2 zestawiono minimalne początkowe prądy zwarć dwufazowych w
punktach A÷D, obliczone przy uwzględnieniu nagrzania Ŝył kabli prądami roboczymi
(rezystancja Ŝył została zwiększona o 20%) oraz wartości minimalnych i maksymalnych
prądów nastawienia zabezpieczeń zwarciowych z uwzględnieniem stopnia zagroŜenia
wybuchem pomieszczeń w których zainstalowano urządzenia odbiorcze (stacje
transformatorowe) lub zasilające je linie kablowe.
Tabela 1
Lp Ozn.
Parametry
R [Ω] X [Ω]
System elektroenergetyczny (minimalna moc zwarcia na szynach kopalnianej rozdzielni
głównej przy zasilaniu z transformatora 16MVA)
1.
Sz=140MVA; R/X=0,1
0,028
0,281
Dławik zwarciowy
2.
Xd
Un=6kV; uz=6%; In=1000 A
0,208
Linie kablowe
3.
lkz
YKGYFtly 3*150mm2; l=1000m; r’=0,124Ω/km;
0,124
0,097
x’=0,097Ω/km; Idd=331A
4.
lk1
YHKGYFtly 3*50mm2; l=700m; r’=0,387Ω/km;
0,271
0,079
x’=0,113Ω/km; Idd=168A
5.
lk2
YHKGYFtly 3*50mm2; l=700m; r’=0,387Ω/km;
0,271
0,079
x’=0,113Ω/km; Idd=168A
6.
lk3
YHKGYFtly 3*50mm2; l=10m; r’=0,387Ω/km;
0,004
0,001
x’=0,113Ω/km; Idd=168A
7.
lk4
YHKGYFtly 3*50mm2; l=10m; r’=0,387Ω/km;
0,004
0,001
x’=0,113Ω/km; Idd=168A
Transformatory
8.
T1
IT3Sb 400/0,5; Sn=400 kVA; Pobc=3,2 kW; ez=4,3%;
0,720
3,802
Yy
9.
T2
IT3Sb 315/0,5; Sn=315 kVA; Pobc=2,66 kW; ez=3,7%;
0,965
4,117
Yy
10.
T3
IT3Sb 400/0,5; Sn=400 kVA; Pobc=3,2 kW; ez=4,3%;
0,720
3,802
Yy
11.
T4
IT3Sc 630/1; Sn=630 kVA; Pobc=5,2 kW; ez=4,3%; Yy
0,472
2,412
Tabela 2
Wielkość
Ik”
(2)
[kA]
pom. „A”; „a”
k I
[kA] pom. „B”; „b”;
kc
„c”
I rob max = (k s k nz I omT ) [kA]
"( 2 )
s k min
I rob max = (k zT ∑ I nT ) [kA
A
0,58
0,45
0,39
Miejsce zwarcia
B
C
0,50
0,56
0,39
0,43
0,34
0,37
0,302
0,504
D
0,79
0,61
0,53
Minimalne prądy nastawień zabezpieczeń wyznaczono osobno z warunku dotyczącego
udaru prądów magnesujących oraz z warunku uwzględniającego rozruch silników
zasilanych po stronie DN transformatorów. W tym drugim przypadku dla punktu
zabezpieczeniowego 1 przyjęto jednoczesny rozruch silników o łącznej mocy 315 kW
(kr=5,5) zasilanych z transformatora T4, oraz ustaloną pracę transformatorów T1÷T3
obciąŜonych w 70% mocy znamionowej.
Porównując wartości minimalnego prądu zwarciowego mierzonego w punkcie
zabezpieczeniowym przy zakłóceniach w punktach A÷D łatwo zaobserwować, Ŝe jego
wartość zaleŜy przede wszystkim od impedancji transformatora za którym rozpatrujemy
zwarcie. Impedancja ta jest w przybliŜeniu odwrotnie proporcjonalna do mocy
transformatora. Zatem w linii zasilającej kilka transformatorów minimalny prąd
zwarciowy – a co za tym idzie maksymalne nastawienie zabezpieczenia zwarciowego –
zdeterminowany jest przez moc najmniejszego z transformatorów.
Dla przedstawionego przypadku układ nierówności (1) okazuje się być sprzeczny:
2)
k s I k"(min
= 0,34kA ≥ I nast ≥ I rob max = 0,504kA
kc
3. Wpływ parametrów elementów układu zasilania na minimalny
początkowy prąd zwarcia dwufazowego.
Dla zobrazowania wpływu zmiany parametrów poszczególnych elementów obwodu na
minimalny prąd zwarcia dwufazowego w punkcie zabezpieczeniowym, wykonano
obliczenia dla punktu zabezpieczeniowego 2 i zwarcia w punkcie E. Jako obliczeniowy
układ podstawowy o którego odnoszone są zmiany parametrów przyjęto:
• system elektroenergetyczny i dławik zwarciowy jak w Tabeli 1;
• linia kablowa lk5 prowadzona kablem YHKGYFtly 3*50mm2 o długości 1000m;
• transformator T5 typu IT3Sb 400/0,5.
Dla takiego odpływu minimalna wartość początkowego prądu zwarcia 2-fazowego w
punkcie E wynosi 0,574 kA. Zmiany prądu początkowego wywołane zmianami
parametrów poszczególnych elementów pętli zwarcia przedstawiono na Rys. 2÷6
procentowo. Jako 100% przyjęto prąd wyznaczony dla obliczeniowego układu
podstawowego.
Jak widać decydujący wpływ na wartość prądu zwarciowego ma moc
transformatora odbiorczego. Wpływ pozostałych elementów pętli zwarcia jest
wielokrotnie mniejszy. W konsekwencji, w linii zasilającej kilka transformatorów o
maksymalnym dopuszczalnym nastawieniu zabezpieczenia zwarciowego decydować
będzie prąd zwarciowy po stronie dolnego napięcia najmniejszego spośród nich, a zmiana
parametrów pozostałych elementów układu nie jest w stanie w znaczący sposób wpłynąć
na tę wartość. Dla przykładu, trzykrotna zmiana przekroju linii kablowej powoduje zmianę
Ik min”(2) o 2,1% natomiast dwukrotna zmiana mocy transformatora – o 54%.
NaleŜy przy tym pamiętać, Ŝe przy projektowaniu sieci oddziałowej istnieje realny wpływ
jedynie na niektóre z tych parametrów. Np. moc zwarciowa na szynach rozdzielni głównej
ZaleŜność w zględnego m inim alnego prądu zw arcia od m ocy zw arciow ej na
szynach głów nej rozdzielni zasilającej
110
108
106
104
Ik"(2)[%]
102
100
98
96
94
92
90
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
Sz [MVA]
Rys. 2
ZaleŜność względnego minimalnego prądu zwarcia od reaktancji dławika
110,0
105,0
104,4
101,4
100,0
100,0
Ik"(2)[%]
97,3
94,0
95,0
90,0
85,0
80,0
Brak dławika
4%; 1000A; Xd=0,139
6%, 1000A; Xd=0,208
Reaktancja dławika
Rys.3
4%; 400A; Xd=0,346
6%; 400A; Xd=0,520
160
ZaleŜność względnego minimalnego prądu zwarcia od długości linii kablowej
zasilającej transformator
106,0
104,0
102,0
Ik"(2)[%]
100,0
98,0
96,0
94,0
92,0
90,0
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Długość kabla, [m]
Rys.4
ZaleŜność względnego minimalnego prądu zwarcia od przekroju linii kablowej
zasilającej transformator
110,0
108,0
106,0
Ik"(2)[%]
104,0
102,0
101,5
101,0
101,8
102,1
120
150
100,0
100,0
98,7
98,0
96,0
94,0
92,0
35
50
70
95
s [mm2]
Rys.5
ZaleŜność w zględnego m inim alnego prądu zw arcia od m ocy transform atora
odbiorczego
249,3
250,0
230,0
210,0
190,0
Ik"(2)[%]
170,0
142,4
150,0
130,0
110,0
100,0
92,6
90,0
70,0
50,0
IT 3Sb 315/0,5
IT3Sb 400/0,5
IT3Sc 630/1
EH-1500/6/3,3
Moc i typ transformatora
Rys.6
zdeterminowana jest sposobem zasilania podstawowego i rezerwowego całej kopalni,
długości kabli zaleŜą od wzajemnego – niezmiennego –połoŜenia rozdzielni i od połoŜenia
elementów ciągu technologicznego (ściany, przenośników, urządzeń pomocniczych
odstawy itd.). Z kolei przy rozpatrywaniu zmiany parametrów np. dławików zwarciowych
naleŜy uwzględnić wpływ tego w zakresie daleko szerszym niŜ tylko na wartość
nastawienia zabezpieczeń na odpływach oddziałowych.
W efekcie pozostaje wpływ na wybór transformatorów zasilanych z jednego pola
rozdzielczego i na przekroje stosowanych kabli.
4. Maksymalne prądy robocze.
Jako maksymalną wartość prądów roboczych przy których nie powinno nastąpić
zadziałanie zabezpieczenia zwarciowego bezzwłocznego, w przypadku odpływów
oddziałowych rozpatruje się udar prądów magnesujących występujący przy załączeniu
pod napięcie linii zasilającej transformatory oddziałowe lub teŜ jednoczesny rozruch grupy
silników o największej dla analizowanego odpływu wartości prądu rozruchowego.
Maksymalny prąd w pierwszym z wymienionych stanów, charakteryzujący się
duŜą wartością szczytową w chwili załączenia i bardzo krótkim czasem zanikania
(kilkadziesiąt do kilkuset ms), zaleŜy od liczby i mocy wspólnie zasilanych
transformatorów oraz od chwili zamknięcia styków wyłącznika w stosunku do chwili
przejścia przez zero napięć fazowych. Pewien – niewielki – wpływ ma tu takŜe
impedancja kabli zasilających transformatory. W związku z powyŜszym, przy określonym
przydziale transformatorów do pól rozdzielczych, nie ma moŜliwości zmiany wartości
maksymalnej i przebiegu tego prądu. Przykład zarejestrowanego przebiegu prądu
magnesowania w załączanej linii zasilającej kilka stacji pojazdowych przedstawiono na
Rys. 7.
NaleŜy zaznaczyć Ŝe zjawisko to nie jest brane pod uwagę przy analizie nastawień
zabezpieczeń zwarciowych zwłocznych, gdyŜ ze względu na szybkość zanikania nie
powoduje ono na ogół nieselektywnych wyłączeń.
Maksymalny prąd roboczy, wynikający z rozruchu zasilanych silników,
charakteryzuje się znacznie dłuŜszymi czasami zanikania (około 1 do 2s). Rozpatrując
pole rozdzielcze zasilające określony fragment ciągu technologicznego, wartość tego
prądu zaleŜy od mocy i współczynnika rozruchu jednocześnie załączanych silników oraz
stopnia ustalonego obciąŜenia innych wspólnie zasilanych transformatorów w czasie
rozruchu największego zespołu napędowego. Jest zatem oczywiste Ŝe jego wartość rośnie
wraz z liczbą wspólnie zasilonych transformatorów.
Załączenie pod napięcie linii zasilającej transformatory: 2xIT3Sd 400/6/1; IT3Sb
400/6/0,5; IT3Sb 315
1000
800
I [A]
600
i [A]
400
Isk [A]
200
0
0,0000
0,1000
0,2000
0,3000
0,4000
0,5000
0,6000
0,7000
0,8000
-200
t [s]
Rys.7
Wobec tego moŜna na nią wpływać poprzez:
• dobór obciąŜeń wspólnie zasilanych transformatorów;
• wprowadzanie przesunięć czasowych pomiędzy rozruchami poszczególnych
silników maszyny;
• zasilanie jednocześnie załączanych silników jednej maszyny z transformatorów
przyłączonych do róŜnych pól rozdzielczych;
• stosowanie urządzeń rozruchowych zmniejszających wartość prądu
rozruchowego, np. rozruszników tyrystorowych lub przemienników
częstotliwości.
NaleŜy podkreślić Ŝe stosowanie silników dwubiegowych lub sprzęgieł hydrokinetycznych
nie zmniejsza wartości prądów rozruchowych, a jedynie poprawia mechaniczne warunki
rozruchu i zwiększa „tolerancję” silników dla rozruchowych spadków napięć (zmniejsza
prawdopodobieństwo utyku silników w czasie rozruchu).
Na Rys. 8 przedstawiono przebieg rozruchu dwóch silników organów urabiających
kombajnu ścianowego, przesunięty w czasie o ok. 6s.
Na Rys. 9 przedstawiono przebieg obciąŜenia pola 6 kVw czasie jednoczesnego rozruchu
dwóch silników przenośnika ścianowego. NaleŜy dodać Ŝe trzeci silnik zasilany był z
transformatora przyłączonego do innego pola 6 kV.
Rozruch organów urabiających kombajnu JOY4LS8 3300, prąd po stronie 6 kV (silniki
o mocy 300 kW)
t [s]
0,00
300,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
200,00
i [A]
100,00
0,00
-100,00
-200,00
-300,00
Rys.8
Obserwując przedstawione przebiegi moŜna zauwaŜyć Ŝe w obu omawianych rodzajach
stanów przejściowych szczytowa wartość prądów roboczych występuje tuŜ po rozpoczęciu
stanu przejściowego. Powoduje to szczególnie niekorzystne warunki pracy zabezpieczeń
zwarciowych bezzwłocznych.
NaleŜy zatem stwierdzić Ŝe przy budowie fragmentów sieci oddziałowych, w przypadku
gdy istniejące przesłanki techniczne (np. istniejące wyposaŜenie pól rozdzielczych) lub
formalne (odpływy zasilają urządzenia mające pracować w pomieszczeniach zagroŜonych
wybuchem gazu lub pyłu) wymuszają zastosowanie zabezpieczeń zwarciowych
bezzwłocznych, konieczna jest przede wszystkim duŜa staranność analizy potencjalnie
moŜliwych układów zasilania oddziału. Ponadto naleŜy liczyć się z koniecznością
zwiększenia nakładów technicznych w postaci większej ilości pól rozdzielczych
zasilających rejon, a co za tym idzie – większych ilości kabli.
I [A]
Prąd obciąŜenia pola rozdzielczego zasilającego transformator IT3Sb315/6 oraz trzy
transformatory IT3S(b,c,d)400/6 podczas jednoczesnego rozruchu dwóch silników
przenośnika ścianowego, 65/200 kW
Czas [s]
0,00
1,00
2,00
3,00
4,00
5,00
6,00
7,00
8,00
9,00
400,00
300,00
200,00
100,00
i [A]
0,00
i [A]
-100,00
-200,00
-300,00
-400,00
-500,00
Rys.9
5. Podsumowanie.
•
•
•
•
•
Nastawienie prądu rozruchowego zabezpieczenia zwarciowego musi zawierać się
w „widełkach” z jednej strony ograniczonych przez minimalny początkowy prąd
zwarcia dwufazowego w strefie chronionej, zaś z drugiej – przez maksymalną
wartość prądów roboczych jakie mogą wystąpić w warunkach normalnej pracy
zasilanej linii.
Minimalny początkowy prąd zwarcia dwufazowego zaleŜy przede wszystkim od
mocy najmniejszego ze wspólnie zasilanych transformatorów. Zmiany
parametrów innych elementów, np. przekroju kabli, nie wpływają na jego wartość
w sposób znaczący.
Maksymalne wartości prądów roboczych zaleŜą od liczby i mocy wspólnie
zasilonych transformatorów oraz od mocy, sposobów rozruchu i podziału
silników napędowych maszyn górniczych na transformatory oddziałowe.
Dla prawidłowej pracy linii zasilających transformatory oddziałowe
najistotniejszym zagadnieniem jest rozdział transformatorów pomiędzy linie 6 kV
zasilające oddział oraz odpowiedni sposób zasilenia silników maszyn górniczych
z uwzględnieniem podziału między transformatory.
W polach rozdzielczych, w których konieczne jest zastosowanie zabezpieczeń
zwarciowych bezzwłocznych, w zaleŜności od mocy zasilanych transformatorów,
istnieje pewna nieprzekraczalna ich liczba dla której moŜliwe jest spełnienie
nierówności (1).
Literatura
[1] PN-G-42042:1998 Środki ochronne i zabezpieczające w elektroenergetyce kopalnianej.
Zabezpieczenia zwarciowe i przeciąŜeniowe. Wymagania i zasady doboru.
[2] PN-EN 60909-0:2002(U) Prądy zwarciowe w sieciach trójfazowych prądu przemiennego.
Część 0: Obliczenie prądów.