ZESZYTY NAUKOWE POLITECHNIKI ŚLĄSKIEJ Seria: GÓRNICTWO z. 107
________1980 Nr kol. 661
JERZY ZYGMUNT, BRUNON MAREK, JAN MAREK, ROMAN PILORZ
BADANIA MOŻLIWOŚCI OGRANICZENIA WARTOŚCI PRĄDU DOZIEMIENIA W SIECI KOPALNIANEJ ZASILANEJ Z FALOWNIKA NAPIĘCIOWEGO
w ej p o j e m n o ś c i o w e j p r ą d u d o z i e m n e g o .
1. Watęp
Stosowanie do zaniżania maszyn i urządzeń górniczych przekształtników tyrystorowych wytwarzających napięcia odkształcone powoduje pojawienie się w prądzie doziemnym wyższych harmonicznych. Przeanalizowano udział wyż- gzych harmonicznych w prądzie dcziemienia i stwierdzono wolną zbieznosc szeregu opisującego ten prąd spowodowaną charakterem impedancji doziemnej poszczególnych faz. W związku z tym skuteczna wartość prądu doziemi n , przekracza znacznie wartości występujące w sieciach z meod k s z t a ł c o n y . napięciami.
Przeanalizowano możliwość ograniczenia wartości prądu d o z i e m r e m a przez zastosowanie układów filtrujących na wyjściu przekształtnika bądz układów kompensujących wybrane harmoniczne tego prądu.
2 . :na |i?, możliwości ograniczenia. ^ du_dozJ..gmienia,zJ s S ^ S S S S h l S S J ! ^ - dów filtrujących
Analiza polega na takim doborze parametrów filtró, Pn których nastę
puje ograniczenie wartości skutecznej prądu doziemier a i--przez zmniejsze
n i e 'u d z i a ł u w tym prądzie niektórych harmonicznych.
Z przedstawionych wyników w pracy [p] wynika, ze ze wżg ę U na dział napięcia i,7,11 harmonicznej w stosunku do ' . moniczn podstawowej, na.eży ograniczyć prądy dcziemienia tych hermoni
Dobór parametrów fi trów (indukcyjność dławików i pojMpno-tt konde torów) powinien u w z g l ę d n i ć możliwości umieszczenia .en wie ogni -
88 J. Zygmunt i inni
szczelnej stacji falownikowej w przypadkach stosowania w pomieszczeniach ze stopniem "c" niebezpieczeństwa wybuchu. Jest to konieczne zę względu na zgromadzoną w filtrze energię, która może być przyczyną zagrożeń poża
rowych i wybuchowych w podziemiach kopalń.
Najprostszym sposobem ograniczenia lub eliminacji udziału największych wyższych harmonicznych w prądzie doziemienia mogłaby być taka konstrukcja i dobór parametrów filtru, aby występowały w nim rezonanse.
Wprowadzenie rezonansu w obwodzie wyjściowym fa
lownika powoduje duże ob
ciążenie źródła, co w po
łączeniu z nieznacznym o- graniczeniem prądu dozie
mienia eliminuje tę meto
dę. Ponadto rezonans ten zachodzi dla wybranej czę
stotliwości zakresu falow
nika. Innym rozwiązaniem zapewniającym ogranicze
nie prądu doziemienia jest układ filtr» przedstawiony na rys. 1. W układzie tym wprowadzono indukcyj- ności podłużne L oraz człony poprzeczne RC. Wielkością limitującą war
tość indukcyjności Ł jest dopuszczalny spadek napięcia na silniku przy najwyższych częstotliwościach wyjściowych falownika.
Przykładowo dla stacji falownikowej o danych znamionowych: Un « 500 V, Rys» 1. Schemat układu filtrującego
Sn - 15 kVA obliczono prądj
Sn 15 . 10"
17,3 A
Przyjmując dopuszczalny spadek napięcia na indukcyjności L równy u^-4%
(przy zasilaniu silnika z transformatora o mocy znamionowej równej mocy silnika) obliczamy to napięcie z zależności
U„L = .& • °n - -i.,--.,-5,0.0 , H ,6 V yj . 100 i f . 100
stąd obliczamy reaktancję dławika i jego indukcyjność:
ZL 11.6
«* 0 ,6 7 1 1
L - » 1,78 mH
w « 2 . Jf . f - 2 . 3 ,1 4 - 60 « 3 7 6 ,8 ~
Badania możliwości ograniczenia. 89
Do dalszych rozważań przyjęto indukcyjność L « 2 mH.
Decyzja dotycząca, dla której harmonicznej ma nastąpić rezonans zalezy od mocy wydzielanej na rezystancjach filtru.
Problem ten przeanalizowano dla 5 harmonicznej, ze względu na jej duzy u- dział w prądzie doziemienia w układzie filtru po transfiguracji jak na rys. 2, gdzie Bf ■ 3 i C f - 3C.
Transfiguracja ta umożliwia rozpatrywanie żjawiska rezonansu w ukła
dzie jednofazowym, w którym otrzymanot
Rys. 2. Schemat zastępczy filtru po transfiguracji 1
'f " — 2 7 ’ co 5 .L
gdzie: o>5 « 2 . ® . ^5 “ 1570 —
12 = 190 uF
1570 . 2stąd: C = — ^ «• 63,3 ji?
Rezystancję R f filtru dobrano z warunku tłumienia krytycznego, tak aby.
Rf = 2 . 1& -
I 190 .
3 0 ^ - - 4,611
10
stąd: R <= 3 Rf - 13,8 a
90 J ■ Zygmunt i inni
Ola tak dobranych parametrów filtru obliczono moc wydzielony na jego re
zystancjach
(UL)2
(67,2)25 h ję--- O ----961 W
gdzie:
U5h Przyjet° na. podstawie wyników pracy [2J stąd
P C “ 3 * P5h " 2883 W
Tak duża moc wydzielona w obwodzie eliminuje możliwości doboru parametrów tiltru na rezonanB 5 harmonicznej. Podobny problem występuje dla 7 harmo
nicznej .
Identyczne obliczenia wykonano dla 11 harmonicznej.
Pojemność filtru wynosi:
1 103
Cf = h • y " 1 = 42 ll?
w n . L 3456 . 2 r
- 2 . J I . f n . 2 . 3,14 . 550 » 3456“!
Rezystancja krytyczna fazowa wynosi:
r . 2 . f i . „ 2 . C l Z
i C- 142 .
10 ~ 3 . . -f .cd . 10~b ' a
R » 3 . R f - 3 . 1 4 - 42 il
Moc wydzielona w układzie w tym przypadku wynosi:
( u f l h ) 3 0 2
pc * 3 p n h “ 3 • — BT ~ - * 3 • T T - 193 ff
Wartość prądu doziemnego w układzie z filtrem obliczono stosując metodę Thevenina. Schemat zastępczy układu filtru z uwzględnieniem pojemności do
ziemnej sieci przedstawia rys. 3- W układzie tym doziemiono bezimpedancyj- nie fazę R sieci nleobciążonej, w której występują największe wartości prądu doziemienia.
Celem obliczenia prądu doziemienia obliczono napięcie Ugd oraz impe- dancję widzianą z zacisków doziemienia.
Badania możliwości, ograniczenia. 91
L R
Nys. 3- Schemat zastępczy sieci zasilanej z falownika napięciowego
Przekształcając powyższy układ otrzymujemy uproszczony obwód (rys. 4) dla obliczenia impedancji ZRd w którym:
1 X . toL (R ,] -5B/
H* + j (3toL - -^j)
Po przekształceniach otrzymano wyrażenie na moduł impedancji ZRd
_____ — — 1
(n) l| {3a)L . j A + 3o)L - - ¿5) + R 2 (3w 2.LCd - 1)
Rd | 9 w2 . Cd2 [r2 (1 -w2 . LCd ) 2 + (3o)L - -¿7* + “ L 7T> ]
Wartości tej impedancji dla częstotliwości podstawowej 50 i 60 Hz oraz ich harmonicznych zestawiono w tablicy 1. Z zestawienia widać, że wartość im
pedancji Zfid maleje ze wzrostem częstotliwości. Napięcie URd obliczono ze schematu jednofazowego, przedstawionego na rys. 5*
Po przekształceniach wyrażenie na moduł napięcia U Rd ma postać:
(n) ^ (n)
f * ł + ^
__________________ _ V Rf 2 • (1 - m 2 Ł C / +92 J. Zygmunt i inni
1 K
Z A
‘-Rd Cd
Cd
H h
Cd - l b Rys. 4. Uproszczony schemat zastępczy dla obliczania impedan-
cJi ZRd-
Wartości tych napięć zostały również zestawione w tabeli 1. Przy zwarciu metalicznym wartość sku
teczna prądu doziemienia dla "n" harmonicznej wy
nosi:
_•(») UR d W
d
z
Rd
Wartość skuteczną prądu doziemiania Id obliczono uwzględniając możliwość 10% wzrostu wartości sku
tecznej prądu pochodzącego od pozostałych harmo
nicznych:
, ( n ) ,
>‘
gdzie:
n * 1 *3,5,7 •••37•
Z zestawionych w tabeli 1 wyników obliczeń prądów składowych poszczę—
gólnych harmonicznych i całkowitego prądu doziemienia widać, że w porówna
niu do podobnej analizy bez filtru [2] ograniczenie prądu doziemienia jest niewielkie rzędu 15%. Takie nieznaczne ograniczenie prądu doziemienia sta
wia pod znakiem zapytania celowość jego stosowania przy istniejących kło
potach wynikających z umieszczeniem filtru w obudowie stacji falowniko
wej. W układzie tym mogą dodatkowo wystąpić utrudnienia z odprowadzeniem ciepła wydzielonego na elementach rezystancyjnych.
Z uwagi na powyższe problemy stosowania układów filtrujących dla ogra
niczenia prądu doziemienia jest rozwiązaniem nieracjonalnym.
Tabela
Badania możliwości ograniczenia. 92
1 1--- | N r H P O < ! © r l M
m a - o «h +> 451 312
J Ś L
trem 0000
C A 287
37 79 CO
r — 23 g£>
00 2,0 23,3
i a
<a 87 5,5 ■'i'
gO 00
C A gO l A
57,4
c a
66 bi
g O
C A
2 2
C A C A o >
CM
c a CVJ
101 8,2
5 922 7,9 gO
gO
25 126 CM
gO 00
5,9 00
23
00CM
12,5 77
g o CO
73,3
C A r—
152 v O
73 C A
CO CO
o 58,2
c—T—
174 18,7 107 gO
c o
16,7 o o
C A c o
C A
CM C A CM
¡23,5 101| 269 21,1
00
T—
g O C—
CM
38,2 00
C A C*- C A
33,7 106,3
£— 417 54,7
C A
502 45,9
T~
C A
l A 560 ■'4-
gO CO
154 869
_—-
-- -
102-
3130 O
g O
C A 115 r * -
c o c—
C A
300 79,4
•«-a /
® /
N //
W /
• H /
0 /
O k---1
a / »
5
\ c
o
« tS J
r — i
>
,—x
fl
T 3
« P
1---1
1
a 'w *
T J H
S
s a T3 Ot tS3
CS
« p
I---1 J L
>*—*• T 5 M
b O O) A
94 ■T. Zygmunt i inni
3. Kompensacja prądu doziemienia
Rozpatrując autonomiczny układ zasilania silnika z indywidualnej sta
cji falownikowej, w którym punkt gwiazdy silnika jest niedostępny, a w stacji falownikowej taki punkt nie istnieje stwierdzono, że kompensacja w takim układzie możliwa będzie tylko przy utworzeniu "sztucznego punktu gwiazdowego źródła", do którego można podłączyć cewkę kompensującą (rys.
6
).
R
Rys. 6. Schemat sieci kopalnianej z układem kompensującym
Problem układu z kompensacją prądu doziemie
nia rozpatrzono teoretycznie budując"sztucz- ne zero" z indukcyjności
Warunkiem kompensacji tego prądu jest speł
nienie zależności:
iR (n) + Łs(n) + i r (n) + ^K(n) = 0
Prądy te można obliczyć korzystając z meto
dy potencjałów węzłowych, gdzie odpowiednie potencjały dla przyjętego układu napięć n- tej harmonicznej jak na rys. 7 wynoszą:
Rys. 7. Schemat układu na
pięć n-tej harmonicznej
Badania możliwości ograniczenia- 95
V R (n) = 0
I c (n) = ' ®R(n) + h ™ " ( - P “ J u(n>
I(n) = - £R(n) + + i
|ĘR (n)| . | Ę s ( n ) | = | Ę T ( n ) | = u ( n )
■ tr
( n )v
lą £T___
Po podstawieniu do warunku kompensacji i po przekształceniach otrzymano!
Wartość indukcyjności kompensującej jest zależna od częstotliwości napię
cia źródła zasilania.
Stosowanie źródła wytwarzającego przebieg odkształcony z płynną regu
lacją częstotliwości umożliwia kompensację prądu doziemienia tylko dla wy
branej harmonicznej częstotliwości przebiegu.
Szerszy zakres kompensacji wymagałby zastosowania układu odpowiednio zmieniającego indukcyjność L w funkcji częstotliwości, co jednak w za
sadniczy sposób nie zmniejszyłoby wartości prądu doziemienia.
Istniejące rozwiązania kompensacji są niemożliwe do zastosowania w sie
ciach zasilanych ze stacji falownikowej ze względu na fakt istnienia ca
łego widma częstotliwości.
Badania nad ograniczeniem prądów przepływających przez człowieka, któ
ry dotknął przewód lub urządzenia będące pod napięciem wskutek obniżenia wartości rezystancji izolacji jednej z faz lub wszystkich powinny być skie
rowane na ograniczenie tego prądu do wartości mniejszej niż 10 mA i cza
su jego przepływu.
Prace prowadzone w ZSRR [i] wykazują, że nawet w sieciach zasilanych liniowymi źródłami o f = 50 Hz z zabezpieczeniami typu UAKI i AZAK sku
teczność kompensowania osiąga wartość {70-80,») co związane jest z ni asy
metrią rezystancji izolacji i pojemności doziemnej faz.Skompensowanie cał
kowite prądu dozi jednej, z faz powoduje przy tych samych nastawach indukcyjności, przy oozicm_eniu innej fazy, przepływ prądu rzędu 20 mA. W 3wojej koncepcji zabt ..pieczenia A3ULIY zastosowano metodę zwierania do
w2C d (3 L + L,) • 1
stąd i »
96 J . Zygmunt i Inni
ziemi tej fazy, którą dotknął człowiek ograniczając prąd przepływający przez niego do wartości 1 - 10 mA.
4- Wnioaki
1. Wprowadzenie układów filtrujących mających na celu ograniczenie wartoś
ci skutecznej prądu doziemienia powoduje nieznaczne ograniczenie tego prądu i nie jest środkiem praktycznie użytecznym.
2. Stosowanie układów filtrujących wprowadza dodatkowe utrudnienia zwią
zane z odprowadzeniem ciepła wydzielonego na elementach rezystancyj- , nych w przypadkach wymagających umieszczenia filtrów o obudowie ognio-
szczelnej falownika oraz wywołuje dodatkowe obciążenie prądowe stacji falownikowej.
3. Ze względu na zmienną częstotliwość pracy falownika i odkształcenie krzywej napięcia nie ma praktycznej możliwości kompensacji składowej, pojemnościowej prądu doziemnego.
LITERATURA
[iJJefremow I.M.: Efektiwnost zaszczity od utieczek w sietiach podziemno- wo elektrosnobżenia rudników. Bezopasnost truda w promyszlennosti.
1974/4.
[2]Pilorz R. Stokowy B. s Niektóre problemy zabezpieczeń upływowych w ko
palnianych sieciach niskiego napięcia zasilanych z przemienników czę
stotliwości. Zeszyty Naukowe Polit. SI. Górnictwo, nr 82, 1977.
[3] Sprawozdanie z IV etapu pracy "Badanie struktury i charakteru zakłóceń oraz optymalizacja systemów zabezpieczeń ziemnozwarciowych" wykonanej w Instytucie Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa 1979 (niepubli
kowana) .
HCOJIEflOBAHHH B03M0BHÓCTH OPPAHHHEHHfl BEJfflHHHH TOKA 3A3EMJIEHHH B lUAlCTHOM CETH nHTAEMOi} H3 HHBEHTOPA HAIIPHKEHHH
P e 3 » u e
BnefleHO b nuTanze maxTH08 csth TapacTopHue nepeoÓpa3pBaTejiH ąacTOTu hb- AHDUHecn h c i o b h h k o u rapMOHHK b Tome 3a3ekmeHHS• 3$$eKTHBHOe 3HaqeHne o t o t o Toma npeBhmiaeT flonycTmjbie bcjihbhhh h aojuhu 6utł orpammeHu.
B ciaiŁe npaBOflHTCH aHajH3 paóoTu (})HaibTpy»nHX cncTeu, a TaK*e HCKjnoąaioT- CU B03M0IH0CTH KOMneHCaiłHH COCTaBHOa eMKOCTH TOKa 3a3eMJieHHH •
Badania możliwości ograniczenia. 97
THE INVESTIGATION OP THE EARTH CURRENT VALUE LIMITATION POSSIBILITIES IN THE COALLIERY NETWORK POWERED BY A VOLTAGE INVERTER
S u m m a r y
The thyristor converters introduced into a coalliery power network sre the source of higher harmonics in the earth current.
The root-mean-square-current is above the accessible values and s ¡-aula be limited. The scheme contains the analysis of the filtering system per
formance. The possibility of compensating the earth current capacitance component is excluded.
