ШАХТНАЯ ТРАНСФОРМАТОРНАЯ ПОДСТАНЦИЯ

Предлагаемое техническое решение относится к электротехнике, а именно - шахтным (рудничным) трансформаторным подстанциям и может быть использовано для питания электроприемников участков угольных шахт, преимущественно опасных по взрывам газа и пыли.
Известна шахтная трансформаторная подстанция, содержащая главную токовую цепь, снабженную разъединителем высшего напряжения, выключателем и трансформатором, причем в цепи управления и блокировки выключателя она имеет программирующе-выключающую систему, соединенную с защитой от утечек и системой расцепителей выключателя высшего напряжения, а на стороне низшего напряжения силовые токовые цепи имеют выводы, из которых каждый снабжен максимально-токовой защитой и защитой от несимметричных режимов работы, предохранителями и разъединителями безопасности (см. патент Польши №118752, Н 02 В 13/00, Н 02 В 1/24, опубл. 30.11.82 г.)
При возникновении замыкания на землю на одном из отходящих присоединений, устройство для контроля состояния изоляции сети подает сигнал на коммутационный аппарат. Причем, если замыкание устранилось, то после его исчезновения присоединение автоматически подключается к источнику питания. При глухом же замыкании на землю на одном из присоединений, коммутационный аппарат отключает поврежденное присоединение и его повторное включение осуществляется обслуживающим персоналом после отыскания и устранения повреждения.
Основным недостатком этого технического решения является то, что при замыкании на землю на одном из присоединений происходит срабатывание аппарата защиты от утечек тока и отключение выключателя главной цепи (высшего напряжения), что приводит к отключению всех токоприемников, в том числе даже
тех, которые нельзя отключать по условиям взрывобезопасности, например, вентиляторов местного проветривания (ВМП), устройств контроля и защиты. На время поиска и устранения неисправности указанные токоприемники будут отключены. Между тем, при отключенном ВМП происходит загазирование выработки, представляющее опасность взрыва метана или удушья людей. Кроме того, в указанном решении не обеспечивается компенсация емкости сети, что требуется ГОСТ 22929 "Аппараты защиты от токов утечки рудничные для сетей до 1200 В".
Известна также шахтная трансформаторная подстанция, содержащая силовой понижающий трансформатор, разъединитель или выключатель в цепи высшего напряжения, разъединители и выключатели в цепях нагрузки, устройства защиты от токов короткого замыкания и от утечек тока на землю, блок логики, вход которого подсоединен к выходу устройства защиты от утечек тока на землю, а каждый из выходов введен в цепь отключения выключателей нагрузки, при этом каждый выключатель нагрузки снабжен подключенными к его выходу устройством компенсации емкости и устройством предварительного контроля изоляции цепи, при этом количество блоков логики соответствует количеству выключателей нагрузки (см. патент №60676 А, Украина, E 21 F 9/00, опубл. 15.10.03, бюл. №10).
Эта подстанция позволяет решать задачу бесперебойного электроснабжения приоритетных токоприемников. Однако ее схема не обеспечивает защиту силового трансформатора от дуговых коротких замыканий на его выходе и не обеспечивает выхода на стороне высшего напряжения для питания других подстанций, расположенных на некотором удалении от нее.
Известна также шахтная трансформаторная подстанция, содержащая силовой понижающий трансформатор, разъединитель в цепи высшего напряжения, разъединители и выключатели в цепи присоединений низшего напряжения, устройства защиты от токов короткого замыкания и от утечек тока на землю, блок логики, вход которого присоединен к выходу устройства защиты от утечек тока, а каждый из выходов соединен с цепью отключения выключателей нагрузки, каждый
выключатель нагрузки снабжен присоединенными к его выходу устройствами компенсации емкости и предварительного контроля изоляции, причем она снабжена не менее чем одним выходом в цепи высшего напряжения, содержащим выключатель, блоки защиты от токов короткого замыкания и устройство предварительного контроля изоляции, выходы которого подсоединены к цепи отключения выключателя, а также шинный и выходной линейный разъединитель - заземлитель, индикаторы напряжения и нагрузки.
Кроме того, цепь высшего напряжения силового трансформатора снабжена блоком защиты от перегрузки, например, выключателем с устройством защиты, имеющим токо-временную характеристику, или плавкими предохранителями, (см. патент №69607 А, Украина, Н 02 Н 3/17, E 21 F 9/00, опубл. 15.09.04, бюл. №9).
В данной подстанции решается задача защиты силового трансформатора выключателем или плавкими предохранителями, установленными на стороне высшего напряжения, а также обеспечивается возможность питания других подстанций или потребителей высокого напряжения, расположенных на других горизонтах или на некотором удалении.
К недостаткам известной трансформаторной подстанции, определенной в качестве прототипа, необходимо отнести то, что в распредустройстве высшего напряжения она снабжена двумя выключателями с блоками защиты. Это повлекло за собой увеличение габаритов и массы, а, следовательно, и стоимости распредустройства высшего напряжения и подстанции в целом. Кроме того, как показывает анализ, в процессе эксплуатации возникает необходимость изменения приоритета по бесперебойному электроснабжению групп потребителей, что в прототипе невозможно сделать без изменения присоединения отходящих кабельных линий вручную.
Практика реализации схем электроснабжения шахт также показывает, что для обеспечения производительной работы угледобывающих комплексов необходимо часто передвигать участковые подстанции и распределительные пункты вслед за перемещением забоя. Это требует применения энергопоездов, состоящих
из подстанций и пускателей или блока контакторов, что целесообразно выполнить в виде одного комплексного устройства, позволяющего передвижение, например, по монорельсу, закрепленному в горной выработке.
В основу полезной модели поставлена задача по созданию шахтной трансформаторной подстанции, в которой за счет изменения подсоединения устройств защиты обеспечивается возможность уменьшить габариты и массу подстанции и, следовательно, ее стоимость.
Поставленная задача решается за счет того, что в шахтной трансформаторной подстанции, содержащей силовой понижающий трансформатор, разъединитель в цепи высшего напряжения, разъединители и/или выключатели нагрузки в цепи низшего напряжения, каждый из выходов которых к нагрузке оснащен блоком предварительного контроля изоляции, устройствами компенсации емкости, защиты от токов короткого замыкания и от утечек тока на землю с блоком логики, а также выход высшего напряжения, оснащенный блоком предварительного контроля изоляции, согласно полезной модели, выключатель высшего напряжения введен на входе подстанции, его выход соединен через разъединители с входом силового трансформатора и с выходом высшего напряжения, оснащенного устройством защиты от токов замыкания на землю, выход которого введен в цепь отключения указанного выключателя, в его схему управления введен выход блока предварительного контроля изоляции, а к выходу блока логики присоединен реверсивный переключатель его выходов, которые введены в цепи управления выключателей нагрузки низшего напряжения.
Кроме того, каждый из двух выходов низшего напряжения оснащен блоком контакторов или магнитных пускателей, при этом устройства компенсации емкости и блоки предварительного контроля изоляции подсоединены к каждому из выходов контактора или магнитного пускателя, причем выход каждого блока предварительного контроля изоляции введен в цепь блокировки соответствующего контактора или магнитного пускателя.
И, кроме того, выходные зажимы выключателя высшего напряжения и контакторов
в цепи низшего напряжения выполнены разъемными.
На вводе подстанция снабжена выключателем с защитами от токов короткого замыкания и перегрузок, параметры которых выбраны исходя из требований Правил безопасности в угольных шахтах и Правил устройства электроустановок, согласно которым необходимо обеспечить предотвращение коротких замыканий, в том числе и дуговых, на выходе силового трансформатора, а также в кабельной линии напряжением 6 кВ, отходящей от подстанции для питания других подстанций или высоковольтных потребителей, расположенных на значительном удалении.
Для защиты от замыканий на землю отходящего кабеля использовано устройство защиты на основе трансформатора нулевой последовательности, а обеспечение блокировки подачи питания на кабель с поврежденной изоляцией осуществляется путем воздействия устройства предварительного контроля изоляции на систему включения общего выключателя высокого напряжения. Такое решение позволяет использовать один выключатель высокого напряжения.
Изменение приоритета бесперебойного электроснабжения групп потребителей низшего напряжения, осуществляют реверсивным переключателем, подсоединенным на выходе блока логики. Этим переключателем изменяют воздействие защиты от утечек тока на переключатели низшего напряжения.
Перемещение распредпункта одновременно с подстанцией осуществляется за счет того, что каждый из двух ее выходов оснащен блоком контакторов или магнитных пускателей. Для обеспечения безопасности, каждый из контакторов или пускателей снабжен включенными между выходной цепью и землей устройством компенсации емкости и блоком предварительного контроля изоляции, выход последнего введен в цепь блокировки соответствующего контактора или магнитного пускателя. Количество контакторов или пускателей выбирают исходя из количества потребителей низшего напряжения.
Выходные зажимы выключателя высшего напряжения и контакторов в цепи низшего напряжения выполнены разъемными, при помощи, например, штепсельных
присоединений. Это обеспечивает возможность перемещения выключателя и контакторов.
Конструктивно подстанция оснащается колесами для передвижения по рельсам или специальными роликами для перемещения по монорельсу, закрепленному у кровли выработки.
На фигуре 1 приведена схема предлагаемой подстанции с одним выключателем в цепи высшего напряжения; на фигуре 2 - схема подстанции с блоками контакторов в выходных цепях низшего напряжения.
Подстанция содержит силовой трехфазный трансформатор 1, расположенный во взрывонепроницаемой оболочке 2. Со стороны высшего напряжения подстанция снабжена кабельным вводом 3 распределительного устройства высшего напряжения (РУВН) и разъединителем 4, расположенным во взрывонепроницаемой оболочке 5.
Со стороны низшего напряжения трансформатор снабжен несколькими, например, двумя выводами I и II, которые питают соответственно два распределительных устройства низшего напряжения (РУНН).
Во взрывонепроницаемой оболочке 6 вывода I, к которому подсоединено первое РУНН, расположены разъединитель 7, автоматический выключатель 8, трансформатор тока 9, устройство 10 для защиты от утечек тока, трансформатор 11 собственных нужд, измерительные приборы (вольтметры и амперметры) 12, блок логики 13, реверсивный переключатель 14. блок 15 для предварительного контроля изоляции и устройство 16 для компенсации емкости. Вывод к нагрузке помещен во взрывонепроницаемую оболочку 17.
Во взрывонепроницаемой оболочке 18 вывода II, к которому подсоединено второе РУНН, размещены: разъединитель 19, автоматический выключатель 20, трансформаторы тока 21, измерительные приборы (вольтметры, амперметры) 22, трансформатор 23 собственных нужд, блок 24 для предварительного контроля изоляции, устройство 25 для компенсации емкости. Вывод к нагрузке помещен во взрывонепроницаемую оболочку 26.
Устройство 10 защиты от утечек тока на землю, блок логики 13, реверсивный переключатель 14 расположены во взрывонепроницаемой оболочке 27.
Выход 28 устройства 29 для защиты от токов замыкания на землю и вывод 30 устройства 31 для предварительного контроля сопротивления изоляции включены в цепь управления_выключателем 32 высшего напряжения.
В цепи питания силового трансформатора 1 и выхода высшего напряжения включены разъединители 33 и 34. Для питания цепей собственных нужд РУВН использован трансформатор 35, подключенный через плавкие предохранители 36.
Разъединитель 33, устройство 31 защиты от замыканий на землю, блок 29 предварительного контроля сопротивления изоляции размещены в оболочке 37 с кабельным вводом 38.
Выключатель 32 с блоком защиты от токов к.з. и перегрузки, установленный в РУВН, одновременно обеспечивает защиту подключенных к его выходу цепей питания силового трансформатора 1 и кабельного выхода высокого напряжения, используемого для электроснабжения подстанций или потребителей, установленных на удалении от рассматриваемой подстанции.
Элементы схемы 6 кВ: выключатель 32 с защитой от токов короткого замыкания и перегрузки, трансформатор напряжения 35 с предохранителями 36, разъединитель 4 размещены во взрывонепроницаемой оболочке 5.
Выходы 39 и 40 реверсивного переключателя 14 введены в цепь управления выключателями 8 и 20 соответственно.
Предлагаемая подстанция работает следующим образом.
Трехфазное напряжение 6 кВ по кабелю поступает в отделение кабельного ввода 3, затем - через проходные электрические зажимы на трехфазный разъединитель 4 и выключатель 32, расположенные в оболочке 5, и далее через проходные зажимы - на разъединитель 34 цепи трансформатора 1, а также на разъединитель 33 с выходом на кабельный ввод 38.
Шинный разъединитель 4 и линейные разъединители 33 и 34 обеспечивают необходимые условия безопасности при обслуживании РУВН.
Разъединитель 33 в выключенном положении обеспечивает замыкание на землю всех трех фаз выходной цепи 6 кВ и разряд энергии, запасенной в высоковольтном кабеле.
Устройство 31 защиты от замыканий на землю и перегрузки обеспечивает отключение выключателем 32 выходной кабельной линии напряжением 6 кВ в случае ее замыкания на землю. Блок 29 осуществляет предварительный контроль сопротивления изоляции выходных цепей напряжением 6кВ в их отключенном состоянии и блокирует включение выключателя 32, если сопротивление изоляции ниже нормы. Это предотвращает включение напряжения на поврежденную линию и, тем самым, предотвращает возникновение аварии.
Выключатель 32 выполнен выдвижным с присоединением к схеме подстанции, например, посредством штепсельных разъемов.
Выключатель 32 снабжен защитой от токов короткого замыкания и перегрузки. Уставки защиты выключателя 32 рассчитываются исходя из тока дугового короткого замыкания на выходе силового трансформатора 1 и минимального тока двухфазного к.з. в конце кабельной линии 6 кВ, т.е., на зажимах выключателя трансформаторной подстанции или иного токоприемника, расположенного на удалении от рассматриваемой подстанции.
Трехфазное напряжение (380, 660 или 1140 В) с вторичной обмотки трансформатора 1 поступает через проходные зажимы на входы трехфазных разъединителей 7 и 19, выключателей 8 и 20 и устройство 10 для защиты от утечек тока на землю. С выходов выключателей 8 и 20 трехфазное напряжение поступает во взрывонепроницаемые отделения выводов 17 и 26 соответственно и далее - к нагрузке. Для питания вспомогательных цепей и блоков защиты от токов короткого замыкания (на фигурах 1 и 2 не показаны) используются трансформаторы 11 и 23, а также трансформаторы тока 9 и 21 (в каждой фазе или в 2-х фазах), от которых питаются электроизмерительные приборы 12 и 22.
К одному из выводов, например II, подсоединены токоприемники, приоритетные по бесперебойности питания, например, ВМП тупиковой выработки.
Выход устройства 10 подсоединен к входу блока 13, оба выхода которого подключены к реверсивному переключателю 14. Выходы 39 и 40 последнего введены в цепь отключения выключателей 8 первого РУНН и 20 второго РУНН соответственно.
Блок логики 13 обеспечивает приоритет отключения выключателей 8 и 20 таким образом, что при повреждении изоляции и утечках тока на землю в отходящих присоединениях, первым отключится не приоритетное присоединение, а приоритетное не отключится, если в нем нет повреждения (утечки тока на землю).
Если потребуется изменение приоритета отключения выключателей, то переключателем 14 выход 39 переключается на вход системы отключения выключателя 20, а выход 40 - на вход системы отключения выключателя 8. Это позволит осуществлять бесперебойное электроснабжение присоединения при изменении приоритета.
Для обеспечения компенсации емкости предусмотрены блоки 16 и 25, входные зажимы которых присоединены к выходным зажимам выключателей 8 и 20. При повреждении изоляции в каком-либо из отходящих присоединений, устройство 10 защиты от утечек тока подает сигнал на блок логики 13. Сигнал с выхода последнего поступает через реверсивный переключатель 14 на систему отключения выключателей 8 и 20, которые отключают в соответствии с приоритетом. В отключенном состоянии соответствующего выключателя сопротивление изоляции его отходящей электрической цепи или нагрузки контролируют блоки 15 или 24. Если сопротивление изоляции на одном из присоединений не соответствует норме, происходит блокирование (запрет) включения соответствующего выключателя. При этом приоритетный выключатель не отключается и не блокируется, чем обеспечивается бесперебойное питание токоприемников. Если же утечка тока произошла в цепи приоритетного РУНН, то отключаются оба выключателя: и 8, и 20.
Устройства 16 и 25 обеспечивают компенсацию емкостных токов утечки, возникающих в сети. Каждое из этих устройств настроено в соответствии с величиной
емкости участка сети, подсоединенного к данному выводу.
В схеме компенсаторов емкости использована нулевая точка, созданная, например, тремя конденсаторами, соединенными звездой, между нулевой точкой которых и землей подсоединена компенсирующая индуктивность. Это позволяет осуществлять компенсацию не только в режиме поданного напряжения, но и когда напряжение отключено, а ток утечки создается за счет ЭДС вращающихся по инерции электродвигателей нагрузки.
Схемой блоков 15, 24 и 29 для предварительного контроля сопротивления изоляции предусмотрено их отключение во время включения выключателей 8. 20 и 32, например, путем ввода в их цепи размыкающихся блок-контактов соответствующего выключателя.
Для удобства обслуживания разъединитель 33 помещен в отдельную оболочку 41.
Во взрывонепроницаемых оболочках 42 и 43 размещены блоки контакторов 44, 45, 46 и 47 подстанции, оснащенной блоками выдвижных контакторов, на вход которых напряжение подано с выходов автоматических выключателей 8 и 20 (см. фигуру 2).
Выход к нагрузке осуществлен с выходов контакторов 44, 45, 46 и 47 через кабельные вводы 17 и 18. Каждый из выходов к нагрузке снабжен устройством компенсации емкости 16. Настройка компенсаторов осуществлена исходя из емкости отходящей кабельной линии.
Каждый выход к нагрузке снабжен также блоком 15 для предварительного контроля сопротивления изоляции. Блоки 15 контролируют сопротивление изоляции отходящих цепей, когда контакторы выключены и цепи обесточены. Если сопротивление изоляции отходящих цепей ниже нормы, включить контактор невозможно, поскольку в его цепь управления введен выход блока контроля сопротивления изоляции. При включении линии, схемой предусмотрено отключение блоков предварительного контроля сопротивления изоляции, например, путем ввода в их цепи размыкающихся блок-контактов соответствующего контактора. При
таком построении схемы отпадает необходимость в применении блоков предварительного контроля изоляции, подсоединенных на выходе автоматических выключателей 8 и 20 (схема на фигуре 1).
Использование предлагаемой шахтной трансформаторной подстанции позволит повысить взрывобезопасность горных работ за счет обеспечения бесперебойного питания электрооборудования тупиковых выработок, уменьшить количество простоев оборудования добычных участков, а также обеспечит конкурентоспособность подстанции на мировом рынке.