Наукова публікація · Гірнича електротехніка

Установки конденсаторні рудничні високовольтні типу УКРВ з вбудованим вакуумним контактором

Показано необхідність компенсації реактивної потужності (КРП) у шахтній підземній системі електропостачання (ПСЕП) з напругою 6–10 кВ. Сформульовано основні вимоги, необхідні для створення різних типів установок конденсаторних рудничних високовольтних і побудови на їх основі оптимальної системи КРП у ПСЕП шахти. Розглянуто конструктивні особливості створених АТ «ДІГ» рудничних конденсаторних установок типу УКРВ із вбудованим вакуумним контактором. Наведено структурно-функціональну схему УКРВ (виконання «К»), технічні характеристики та принцип роботи.

Постановка проблеми

Чому шахті потрібна компенсація реактивної потужності

Задача полягає в необхідності зменшити споживання електроенергії, енергоресурсів і кабельної продукції у вугільній промисловості. Один із методів енергозбереження — використання пристроїв компенсації реактивної потужності (КРП) у системах електропостачання на високій і низькій напрузі [1]. Застосування конденсаторних установок для КРП у підземних системах електропостачання (ПСЕП) шахт і рудників є ефективним засобом підвищення техніко-економічних показників завдяки зменшенню технологічних втрат електроенергії та капіталовкладень у мережеві об’єкти ПСЕП [2–5].

Дослідження, аналіз та історію розробки рудничних конденсаторних установок для КРП у шахтних ПСЕП детально описано в роботі [4]. Метою цих досліджень є розробка та впровадження установки конденсаторної рудничної високовольтної типу УКРВ із вбудованим вакуумним контактором для автоматичної багаторівневої та багатоступеневої системи КРП шахти з номінальною напругою 6 або 10 кВ.

Результати досліджень

Серійне виробництво установок УКРВ виконання «К»

З 2010 року акціонерне товариство «ДІГ» серійно виготовляє конденсаторні рудничні високовольтні установки типу УКРВ-ХХ-ХХХ-К УХЛ5 із вбудованим вакуумним контактором (далі — установка УКРВ, виконання «К»). Вони призначені для компенсації реактивної потужності — підвищення коефіцієнта потужності — у трифазних електричних мережах з ізольованою нейтраллю напругою 6 (10) кВ у підземних системах електропостачання шахт і рудників, зокрема небезпечних за газом (метаном) та вугільним пилом [4].

Установку УКРВ (виконання «К») розроблено на основі багаторічного досвіду серійного виробництва та експлуатації конденсаторних рудничних установок типу УКРВ виконань «О» та «А» [4]. Це дало змогу сформулювати основні вимоги до створення різних типів конденсаторних рудничних високовольтних установок і до побудови на їх основі оптимальної системи компенсації реактивної потужності в підземних системах електропостачання шахти.

Вимоги до рудничних конденсаторних установок

Що має забезпечувати установка в умовах підземної виробки

• Мобільність. Установки мають компактні розміри та мобільне виконання, що дозволяє переміщувати їх у гірничих виробках для підключення в інших місцях ПСЕП згідно з планом гірничих робіт під час відпрацювання шахтного поля.
• Місця розміщення. Установки можна розміщувати на центральній підземній підстанції (ЦПП), на більшості розподільних пунктів високовольтних (РПВ), у кінці кабельних ліній, що живлять пересувні дільничні підземні підстанції (ПУПП) видобувних і підготовчих дільниць та конвеєрного транспорту.
• Близькість до навантаження. Для ефективного використання конденсаторні установки мають бути максимально наближені до найбільш енергоємних центрів споживання електроенергії, фактичний час роботи яких є максимальним.
• Три типи установок. Нерегульовані, нерегульовані автоматично керовані та ступінчасто регульовані.
• Дві ступені потужності. Для реалізації принципу ступінчастого регулювання реактивної потужності установки мають бути нерегульованими автоматично керованими та мати дві ступені потужності: номінальну (при підключенні до мережі) та нульову (при відключенні від мережі).
• Підключення в лінію. Нерегульовані автоматично керовані установки повинні мати можливість підключення до кабельної лінії, що йде від РПВ до ПУПП віддалених лав із видобувними комплексами, або до ПУПП потужних прохідницько-видобувних комплексів при камерній системі видобутку корисних копалин.
• Розміщення нерегульованих установок. Їх слід розміщувати на ЦПП і (або) РПВ з великим реактивним навантаженням, яке не має різких змін протягом доби та робочих змін.
• Контроль корпусів конденсаторів. У рудничних конденсаторних установках необхідно застосовувати пристрої постійного безперервного контролю розширення бічних широких стінок корпусів конденсаторів — для виконання вимог Правил технічної експлуатації електроустановок споживачів щодо щоденної або щомісячної перевірки корпусів конденсаторів на відсутність здуття стінок.
• Функції вакуумного контактора. Контактор конденсаторної установки повинен виконувати відключення при спрацюванні захистів: від струмів перевантаження (включно зі струмами вищих гармонік); від підвищення напруги в мережі вище заданого порога; від розширення корпусу конденсатора понад допустиме значення; від перегріву конденсаторів.
• Захист від КЗ. Захист від струмів короткого замикання всієї конденсаторної установки має здійснюватися шафою КРУ, що живить установку.
• Блокування кришок. Сигнал про спрацювання датчиків блокувальних пристроїв при відкритті кришок відсіків керування, конденсаторів і мережевої камери, а також сигнал струмового відключення при коротких замиканнях у конденсаторах, мають надходити на контакти системи відключення шафи КРУ, що живить установку.

Чому для мережі 6,3 кВ беруть конденсатори на 6,6 кВ

Запас за напругою замість фільтрів вищих гармонік

В установках застосовують силові косинусні конденсатори на номінальну напругу 6,6 кВ для установок на U_н = 6,3 кВ і на 11 кВ для U_н = 10,5 кВ. Причина в тому, що у ПСЕП шахт і копалень співвідношення потужностей джерел гармонік S_і.г (кВ·А), присутніх у місці підключення конденсаторної установки, до номінальної потужності трансформатора S_н.т (кВ·А), що живить дану ПСЕП, менше ніж 15 %, і на найближчу перспективу не очікується підвищення цього співвідношення вище 25 %.

Рекомендовані номінальні потужності

Ряд потужностей для мережі 6,3 кВ

Рекомендовані номінальні потужності рудничних конденсаторних установок на номінальну напругу 6,3 кВ при використанні силових косинусних конденсаторів на номінальну напругу 6,6 кВ наведено нижче. Відхилення фактичної потужності від номінальної при напрузі 6,3 кВ перебуває в межах від −0,73 до +2,70 %.

Ступінь компенсації та система «САС КРП»

Що дає перехід від нерегульованих установок до автоматично керованих

Найефективніші технічні рішення з компенсації реактивної потужності у ПСЕП шахт забезпечуються за таких показників:

Використання на шахтах і рудниках нерегульованих автоматично керованих конденсаторних установок УКРВ (виконання «К») дає змогу створювати в ПСЕП з номінальною напругою 6 або 10 кВ систему автоматичної ступеневої компенсації реактивної потужності («САС КРП»). Вона складається з окремих конденсаторних установок, підключених і розподілених по довжині магістральних, радіальних або радіально-магістральних кабельних ліній.

Вибухозахист і умови експлуатації

Марковання, температура, вологість, положення

Установка УКРВ (виконання «К») має рівень вибухозахисту «вибухобезпечний», види вибухозахисту — «вибухонепроникна оболонка» та «іскробезпечне електричне коло». Марковання вибухозахисту на території України — РВ 4В або РВ 4В Іа (ГОСТ 12.2.020–76), для країн СНД — РВ Exd I або РВ Exdia I (ГОСТ 30852.0–2002).

Схеми підключення установки

Чотири способи ввімкнення УКРВ у ПСЕП

Установку УКРВ (виконання «К») як самостійний виріб можна підключати:

• у розріз кабельної лінії, що йде від РПВ або ЦПП і живить одну чи кілька ПУПП;
• до вільного виводу шафи КРУ приєднання, що відходить, розташованої на РПВ або ЦПП, до другого виводу якої вже підключене відповідне навантаження — кабельна лінія, що живить наступний РПВ, або кабельна лінія, що живить одну чи кілька ПУПП;
• до вільного виводу ввідної шафи КРУ на РПВ;
• до окремо виділеної шафи КРУ ввідного приєднання, що входить до складу РПВ або ЦПП.

Конструкція установки

Вибухонепроникна оболонка на полозах, поділена на три відділення

Установка УКРВ (виконання «К») складається зі зварної вибухонепроникної оболонки, встановленої на полозах. Оболонка поділена на вибухонепроникні відділення: мережеву камеру, відділення керування та відділення конденсаторів. Мережева камера призначена для підключення установки до ПСЕП і розділена на два відділення — для підключення силових і контрольних кабелів.

Загальний вигляд установки наведено на рис. 1, розташування органів керування на внутрішній і зовнішній сторонах дверей відділення керування — на рис. 2, а розташування окремих елементів конструкції — на рис. 3.

Мережева камера

Ввідні коробки силових і контрольних кабелів

У ввідній коробці для силових кабелів розташовані опорні та прохідні ізолятори, силові затискачі для підключення жил кабелів площею перерізу 25–120 мм², трансформатор струму 400/5 А, кінцевий вимикач кола блокувального пристрою, який відключає шафу КРУ при відкритті кришки ввідної коробки, а також прохідна пробка контрольних кіл блокування, захисту та керування. Трансформатор струму використовується для зняття інформації про струм навантаження споживачів при підключенні установки в розріз кабельної лінії.

Ввідна коробка для силових кабелів має два силові кабельні вводи для підключення кабелів із зовнішнім діаметром до 67 мм. У ввідній коробці для контрольних кабелів на DIN-рейках розташовані клеми звичайних та іскробезпечних кіл, розділені металевою перегородкою, і три прохідні пробки для проводів кіл керування, блокування та захисту. Коробка має чотири кабельні вводи для підключення контрольних кабелів із зовнішнім діаметром до 32 мм.

Відділення керування

Апаратура, вакуумний контактор, блокування

На зовнішню поверхню кришки відділення керування виведені органи керування установкою: п’ять кнопок і два оглядові вікна (див. рис. 2). У відділенні керування розташовані:

• апаратура керування та захисту установки;
• силовий вакуумний контактор на 7,2 або 12 кВ на рухомому візку, конструкція якого забезпечує два видимі розриви в кожній фазі силового кола та заземлення силових виводів блока конденсаторів під час висування візка контактора;
• по два оглядові вікна на кожній з бічних стінок корпусу відділення керування, розташовані навпроти нижніх і верхніх рухомих та нерухомих ножів роз’єднувача;
• трансформатор напруги власних потреб із первинною напругою 6,6 або 11 кВ і вторинною 110 В для живлення котушки контактора та апаратури керування й захисту;
• блокувальний пристрій відключення високовольтного контактора при спробі висунути візок контактора в увімкненому стані;
• кінцевий вимикач кола блокувального пристрою, що відключає шафу КРУ, яка подає напругу на установку, при відкриванні кришки відділення керування.

Відділення конденсаторів

Батарея конденсаторів і засоби її контролю

У відділенні конденсаторів є блокувальний пристрій, кінцевий вимикач якого відключає шафу КРУ, що живить установку, при відкриванні кришки відділення. Тут же розміщена батарея конденсаторів (БК), яка включає:

• один або два трифазні силові косинусні конденсатори з одиничною потужністю від 50 до 500 кВАр на номінальну напругу 6,6 або 11 кВ — залежно від потрібної потужності установки;
• два трансформатори струму 100/5 А, встановлені у фазах А та С кола 6 кВ;
• зовнішній розрядний пристрій для силових косинусних конденсаторів, який забезпечує вимоги ГОСТ 12.2.007.3–75 і ГОСТ 1282–88 щодо часу розряду БК (до 5 хв) та залишкової напруги на затискачах БК (до 50 В) при використанні імпортних конденсаторів із часом розряду до 10 хв і залишковою напругою до 75 В;
• термодатчик температурного захисту конденсаторів;
• обмежувачі перенапруг;
• DIN-рейку з клемами для підключення кіл керування та захисту.

Трансформатори струму 100/5 А використовуються в колах захисту від перевантаження БК при збільшенні струму понад 130 % номінального; захисту від несиметричних режимів роботи БК; роботи струмової відсічки при коротких замиканнях у БК; видачі інформації на блок індикації про значення струму в трьох фазах БК; а також у пристрої безперервного контролю розширення бічних широких стінок корпусу конденсатора з відключенням установки від мережі при досягненні неприпустимого значення розширення. Останнє дає змогу виконати вимоги пп. 6.9.14 і 6.9.15 Правил технічної експлуатації електроустановок споживачів щодо рудничного електрообладнання.

Віддалене керування

Інтерфейс RS-485 із протоколом MODBUS RTU

Установка УКРВ-6,3 (виконання «К») має вбудований інтерфейс RS-485 із підтримкою протоколу MODBUS RTU. За його допомогою можна віддалено переглядати стан параметрів роботи конденсаторної установки, а також подавати команди «УВІМК» і «ВИМК» з робочого місця чергового диспетчера.

Функції захисту та керування

Що забезпечує обладнання керування й захисту УКРВ

Блокування

Що унеможливлює помилкові дії персоналу

• повторного увімкнення установки безпосередньо після її відключення — повторне увімкнення можливе лише через програмовану часову затримку;
• відключення високовольтної шафи КРУ, що живить установку, при відкриванні кришки ввідної коробки силових кабелів мережевої камери, кришки відділення керування та кришки відділення конденсаторів;
• відключення високовольтного контактора установки при спробі висунути візок контактора в увімкненому стані;
• додаткове блокування зі встановленням до чотирьох замків (опція на бажання замовника).

Знімні та відкидні кришки оболонки установки мають попереджувальний напис «Відкривати через 5 хв після відключення від мережі». З’єднання силових кіл у ввідній коробці силових кабелів, відділеннях керування та конденсаторів виконано високовольтним гнучким проводом площею перерізу 25–50 мм² залежно від потужності установки. Основний захист установок конденсаторних типу УКРВ виконань «О», «А» та «К» від струмів короткого замикання здійснюється шафою КРУ, від якої на установку подається напруга 6 (10) кВ.

Принцип роботи

Як працює структурна схема установки

Структурну схему установки конденсаторної УКРВ (виконання «К») показано на рис. 4. Сигнал про струм навантаження з трансформатора струму 1 надходить на блок керування через датчик струму 3, що перетворює струм трансформатора струму навантаження в струмовий сигнал для блока керування. Напруга живлення 110 В, яка водночас є сигналом про лінійну напругу в ПСЕП, надходить на блок керування від трансформатора напруги 2.

У коло відключення шафи КРУ, від якої живиться установка, подається блокувальний сигнал 7 про відкриття кришок камери вводів, відділень керування та конденсаторів, а також відключальний сигнал резервного захисту від струму короткого замикання (струмова відсічка без витримки часу) при виникненні короткого замикання в силових косинусних конденсаторах. Для відключення високовольтної шафи КРУ використовується контрольний кабель із колом електричного блокування, який з’єднує ПУПП, що живлять очисні та гірничопрохідницькі комплекси, з шафою КРУ і забезпечує виконання п. 2.5.7 ГОСТ 16837.

Сигнали від кнопок 4, блок-контактів 9 та 15, датчика 11, трансформаторів струму 10 і датчика 3 надходять у блок 6 для обчислювальної та логічної обробки, у результаті якої відповідна команда «увімкнути» або «вимкнути» подається в систему керування вакуумного контактора 5.

Що дає конструкція УКРВ (виконання «К»)

Можливості, закладені конструктивними та схемними рішеннями

• автоматично вмикати та вимикати установку залежно від фактичної реактивної потужності в мережі в місці підключення;
• мати два рівні потужності в місці підключення установки: номінальний при підключенні до мережі та нульовий при відключенні від неї;
• виконувати монтаж і підключення УКРВ завдяки невеликим розмірам і масі як у приміщеннях діючих РПВ або ЦПП, так і неподалік від них у зручних місцях гірничих виробок;
• підключатися до шаф КРУ в діючих РПВ або ЦПП — як до тих, що вже живлять наявне шахтне навантаження, так і до спеціально виділеної шафи КРУ;
• підключати установку в розріз кабельних ліній, що йдуть від РПВ, ЦПП або окремо розташованої шафи КРУ до групи трансформаторних підстанцій, які живлять струмоприймачі видобувних чи прохідницьких комплексів і магістральних конвеєрних ліній;
• створювати багаторівневу та багатоступеневу систему «САС КРП» у ПСЕП шахт і рудників, розміщуючи від двох до чотирьох одиничних установок УКРВ по довжині магістральної лінії та від двох-трьох до восьми установок по довжині складних радіально-магістральних кабельних ліній.

Переваги застосування установок УКРВ

Ефект для підземної системи електропостачання

• Зменшення споживання реактивної потужності. Установки УКРВ сприяють зниженню споживання реактивної потужності, що зменшує оплату за неї.
• Скорочення втрат активної електроенергії. Втрати зменшуються на ділянках між головною понижувальною підстанцією (ГПП), центральною підземною підстанцією (ЦПП), розподільним пунктом високовольтним (РПВ) та пересувною дільничною підземною підстанцією (ПУПП).
• Збільшення пропускної здатності кабельної мережі. На зазначених ділянках електропостачання шахти.
• Покращення рівня і стабільності напруги. У системі електропостачання шахти та рудника.

Висновки

Підсумки розробки та впровадження

• Установки УКРВ із вбудованим вакуумним контактором дозволяють створювати багаторівневу систему автоматичної ступінчастої компенсації реактивної потужності («САС КРП») у системах електропостачання шахт і рудників.
• Кількість рівнів і ступенів компенсації залежить від параметрів кабельних ліній, потужності навантаження, що передається, і кількості підстанцій, — це дає змогу оптимізувати роботу системи електропостачання відповідно до вимог виробництва.
• Невеликі розміри та маса УКРВ полегшують їх переміщення й підключення залежно від змін у гірничих роботах без додаткових витрат праці та матеріалів.

Друкована версія публікації

Сторінки статті у журнальному виданні

Нижче — сторінки друкованої версії статті. Натисніть на сторінку, щоб відкрити її у повному розмірі.