CC BY
120
------------------------------- © В.К. Стефанов, Д.В. Антоненков,
2011
УДК 621.316:622
В.К. Стефанов, Д.В. Антоненков
АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ КАБЕЛЬНЫХ ЛИНИЙ 6 кВ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА «НЕРЮНГРИНСКИЙ»
Использование математического моделирования аварийных отказов кабельных линий в распределительных сетях 6 кВ угольного разреза «Нерюнгрин-ский» на основе регрессионного анализ для задачи прогнозирования на заданный интервал упреждения.
Ключевые слова: анализ надежности, кабельные линии 6 кВ, угольный разрез.
Ж уадежность систем электроснабжения (СЭС) горных пред-И приятий является важным элементом в условиях повышения производительности горного оборудования и предприятия в целом. Простои горного оборудования по причине отсутствия напряжения из-за повреждений линий электропередач (ЛЭП) приводят к срыву выполнения производственных задач по добычным, вскрышным и буровзрывным работам.
Особенностью эксплуатации СЭС горнодобывающих предприятий является существенное влияние разнообразных факторов, определяемых горно-геологическими и климатическими условиями, а так же технологическими схемами разработки месторождения. Выделение и учет факторов, влияющих на аварийность элементов системы, представляет собой первоочередную задачу исследования. В качестве основных факторов влияющих на аварийность СЭС для исследования выбраны: средняя температура воздуха, количество осадков и объём производства. [1]
Разрез «Нерюнгринский» географически расположен в Южной части Республики Саха (Якутия) на высоте 800 м. над уровнем моря. Система электроснабжения и горное оборудование эксплуатируются в тяжелых климатических условиях Крайнего Севера.
На угольном разрезе «Нерюнгринский» применяются особые решения в обеспечении электроснабжения горного оборудования, которые формировались от начало основания разреза. Существующие методы электроснабжения в горной промышленности не могут являться эталонными, так как не считаются научно обоснованны-
ми, поскольку, как правило, проектирование электроснабжения оказывается ориентировочным, в большей степени субъективным и слабо связано с производственной программой предприятия и с теми изменениями, которые происходят в процессе ее реализации. [2]
Электроснабжение разреза осуществляется по кольцевой схеме двумя воздушными ЛЭП-35 кВ общей протяженностью 27,6 км. При нормальной работе кольцо разомкнуто, в случае выхода из строя одной из линий или необходимости проведения технического обслуживания электроснабжение осуществляется по другой до окончания работ. Электроснабжение горных работ построено по принципу глубокого ввода высшего напряжения. 13 передвижных подстанций 35/6 кВ мощностью 6,3 МВА максимально приближены к основным потребителям: экскаваторам, буровым установкам, насосам водоотведения. Распределительные сети 6 кВ, непосредственно питающие экскаваторы и буровые установки выполнены передвижными и имеют смешанную воздушно-кабельную конструкцию, протяженность и состав линий постоянно меняется вслед за продвижением горных работ. На данный момент общая протяженность передвижных ЛЭП составляет 63 км, при этом плотность распределительных сетей в районе ведения горных работ 5,8 км/км2.
Анализ аварийности в системе электроснабжения разреза «Нерюнгринский» за период с 2004 по 2009 годы показал, что соотношения между отказами в элементах системы следующие: ВЛ 35 кВ - 1 %, ВЛ 6 кВ - 10 %, кабельные линии (КЛ) и машинный кабель 6 кВ - 68 %, повреждения силового оборудования потребителей - 18 %, не выявленные причины - 3 %. Источником информации об аварийных отказах служили диспетчерские оперативные журналы, ремонтные журналы, журналы учета работ по нарядам и распоряжениям.
Актуальность проведения анализа аварийности обосновывается как задачами исследования, так и необходимостью учесть изменения в эксплуатации распределительных сетей и высоковольтного оборудования разреза, происшедшие в последние годы. Повышению надежности систем электроснабжения горных предприятий уделяется особое внимание.[3, 4, 5].
Для проведения анализа использовали статистические методы обработки информации на основе теории вероятности и математической статистики, в результате были получены уравнения регрес-
сии. Показателем тесноты связи при этом является коэффициент корреляции при прямолинейной аппроксимации. Обработку данных производили при помощи прикладных программных средств Microsoft Excel, Statistica 6.0. [6, 7]
Ранжирование факторов по воздействию на отказы осуществляется по коэффициенту корреляции с учетом шкалы Чеддока. Таким образом, характеристики силы связи: 0,1 0,3 - слабая; 0,3
0,5 - умеренная; 0,5 ^ 0,7 - заметная; 0,7 ^ 0,9 - высокая; 0,9 ^ 1,0 -весьма высокая.
В результате обработки данных необходимо получить математические модели отказов позволяющие прогнозировать аварийность системы электроснабжения. Несмотря на то, что на сегодня не найдено эффективного подхода к оценке качества прогноза до его реализации, даже в тех случаях, когда прогноз не оправдался, нельзя категорически утверждать, что он бесполезен. Прогноз позволяет контролировать ход событий, определять нежелательное развитие аварийности в системе электроснабжения и как следствие принимать меры по повышению надежности СЭС и как результат не оправдание прогноза.
Как отмечалось ранее, наиболее аварийным элементом системы электроснабжения угольного разреза является высоковольтный кабель, входящий в состав передвижных ЛЭП 6 кВ и используемый в качестве машинного кабеля горного оборудования. Источником данных о повреждениях кабеля являлись ремонтные журналы участка энергоснабжения за период с 2006 по 2009 год. Повреждения кабеля можно разделить на два основных вида: электрические повреждения в результате пробоя изоляции и механические связанные с повреждениями горно-транспортым оборудованием и обрушением породы. Соотношения между основными видами повреждений следующие: электрические составляют 83 %, механические 17 %.
В табл. 1 приведены полученные уравнения регрессии, представляющие собой зависимости среднего числа электрических повреждений высоковольтного кабеля от температуры воздуха, количества выпавших осадков и объёмов производства.
245
Таблица 1
Зависимость изменения количества отказов по причине электрических повреждений высоковольтного кабеля
Фактор Коэффициент корреляции, г Остаточная дис—2 персия, S ост Уравнения регрессии
Средняя температура воздуха, Г = t + 500С ср ср 0,30 206,6 у = 48,08 + 0,25Г;р
0,75 101,5 у = -26,38 + 4,36Г;р - 0,048Г;р2
0,77 94,3 2 3 у = 43,8 -1,45^ + 0,097Гср - 0,0011^
0,17 221,8 у = 62,46 - 0,006о
Количество осадков, О 0,69 119,3 у = 54,49 + 0,27о - 0,002о2
0,70 116,6 у = 44,92 + 1,02о - 0,014о2 + 0,00005о3
-0,13 207,5 у = 69,56 - 0,0025v
Объём производ- 0,36 198,3 у = 407,27 - 0,154v + 0,0000^2
ства, V 0,38 195,1 у = 1385,16 - 0,8Ь- + 0,00016v2 -- 0,0000000Ш3
Данные модели отказов показывают количественное влияние рассматриваемых факторов на электрические повреждения высоковольтного кабеля. Таким образом, температура воздуха оказывает высокое воздействие на аварийность кабельных линий, количество осадков между заметным и высоким, а объём производства умеренное.
Анализ зависимости числа отказов вследствие электрических повреждений от температуры воздуха показал, что область наибольшей аварийности соответствует диапазону температур от -10оС до 5 оС в весенний (апрель-май) и осенний (сентябрь-октябрь) периоды. Это обусловлено периодом перехода от отрицательных температур к положительным и значительными колебаниями ночной и дневной температуры воздуха. В дневное время при положительной температуре влага заполняет микротрещины изоляции высоковольтного кабеля, в ночное при снижении температуры влага превращается в лед, что сопровождается объемным расширением микротрещин. Далее с повышением дневной температуры в микротрещинах снова образуется влага, но микротрещины обладают большим размером, следовательно, диэлектрическая прочность изоляции снижается, и незначительные термические перегрузки или коммутационные перенапряжения могут привести к электрическому пробою изоляции. Июль, по данным самый теплый месяц, что приводит к эффекту «подсушивания кабеля» и как следствие снижению пробоя изоляции. В зимний период низких температур ноябрь-март изоляция кабеля имеет наибольшую диэлектрическую прочность, что приводит к уменьшению количества отказов.
Анализируя зависимости числа отказов вследствие электрических повреждений от количества выпавших осадков можно отметить, что рост отказов наблюдается в период максимального выпадения осадков август-сентябрь. Кабельные линии, проложенные на открытом воздухе, подвергаются непосредственному воздействию дождевых осадков. Влага, проникающая внутрь кабеля, под действием высокого напряжения вызывает снижение диэлектрической прочности изоляции.
Зависимость числа отказов вследствие электрических повреждений от объёма производства объясняется следующим. В процессе эксплуатации под действием внешних усилий гибкий кабель и его изоляция подвергаются статическим и динамическим
деформациям: растяжению, сжатию и кручению при перемещении по почве горизонта, спуске с уступа на уступ, подвеске на опорах, навивке на барабаны. В условиях механических воздействий происходит ускоренное старение изоляции и снижение её диэлектрической прочности. Таким образом, чем выше объём производства, тем больше перемещений осуществляет горное оборудование и как следствие повышенный износ оболочки и жильной изоляции.
В табл. 2 приведены полученные уравнения регрессии, представляющие зависимости числа отказов по причине механических повреждений высоковольтного кабеля от температуры воздуха, количества выпавших осадков и объёмов производства.
Данные модели отказов показывают количественное влияние рассматриваемых факторов на механические повреждения высоковольтного кабеля. Таким образом, температура воздуха и объём производства оказывают заметное воздействие, количество осадков слабое.
Анализируя зависимость количества отказов вследствие механических повреждений от температуры воздуха необходимо отметить следующее: 1) максимальное количество отказов наблюдается в апреле и мае, когда при повышении температуры происходит оттаивание скальной породы на уступах и обрушение на кабельные линии и машинный кабель, проложенные вдоль по горизонту.
2) увеличение отказов в октябре, начале ноября вызвано снижением температуры и появлением первого снежного покрова и снежных заносов, в связи, с чем кабельные линии оказываются под снегом, что увеличивает число наездов горно-транспортной техникой, в основном бульдозерной.
Увеличение отказов вследствие механических повреждений от количества осадков так же наблюдается в октябре начале ноября, поскольку именно в этот период выпадает максимальное количество осадков в виде снега.
Связь между объёмом производства и количеством механических повреждений объясняется, тем, что при увеличении объёмов больше перемещений осуществляет горное оборудование и увеличивается количество наездов на кабель. Так же механические повреждения кабеля горным оборудованием зависят от квалификации машинистов управляемых этим оборудованием
248
Таблица 2
Зависимость изменения количества отказов по причине механических повреждений высоковольтного кабеля
Фактор Коэффициент корреляции, г Остаточная дис—2 персия, S ост Уравнения регрессии
Средняя температура воздуха, г- = г + 50оС ср *ср 0,30 26,2 у = 8,01 + 0,09гср
0,53 20,7 у = -9,13+1,03гср - 0,01гср2
0,53 20,7 2 3 у = -6,3 + 0,8гср - 0,01гср - 0,000041гср
Количество осадков, о -0,17 28,0 у = 12,97 - 0,02о
0,26 26,9 у = 11,26 + 0,05о - 0,00045о2
0,29 26,6 у = 12,85 - 0,07о + 0,002о2 - 0,000008о3
Объём производства, V -0,38 24,7 у = 22,79 - 0,0026v
0,56 19,9 у = 166,92 - 0,07v + 0,000007v2
0,57 19,6 у = -149 + 0,145v - 0,00004v2 + + 0,000000003v3
Вывод
Полученные математические модели повреждений кабельных линий позволяют оценивать эффективность проводимых административных, технических и производственных мероприятий на угольном разрезе «Нерюнгринский» в целях повышения надежности системы электроснабжения ведения горных работ. На основе прогнозных оценок производиться управление затратами на приобретение кабельно-проводни-ковой продукции, материалов для восстановления работоспособности ЛЭП, специального оборудования. По отклонению фактических значений количества отказов в 2010 -2011 годах от математической модели появляется возможность оценить экономический эффект от проведенных мероприятий и приобретаемых материалов.
------------------------------------------ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Самойлович И.С., Ситник И.В. Линии электропередачи карьеров. - М.: Недра, 1987.-230 с.
2. Антоненков Д.В., Дедюлькин Е.Г. Особенности электроснабжения каменноугольного разреза в условиях Южно-Якутского региона // Журнал «Электрика».- 2008.- №7 - С. 28-33.
3. Нагорный М.А. О надежности электроснабжения в угольной промышленности Украины / М.А. Нагорный, Л.Б. Ландкоф, В.М. Гостищев, И.Я. Чернов // Промышленная энергетика. - 2005. - № 5. - С. 50-54.
4. Васин А.Е. Повышение надежности работы распределительных электрических сетей / А.Е. Васин, И.В. Салдыркин, А.И. Толкачев // Промышленная энергетика. - 2006. - № 2. - С. 12-14.
5. Кузьмин Р.С. Анализ аварийности распределительных сетей 6-10 кВ угольных разрезов Красноярского края и Иркутской области / Р.С. Кузьмин, В.А. Меньшиков // Горн. оборуд. и электромех. - 2005. - № 5. - С. 34-37.
6. Халафян А.А. STATISTTCA 6. Статистический анализ данных. 3-е изд. М.: 000 «Бином-Пресс», 2007 г. - 512 с.: ил.
7. Вуколов Э.А. "Основы статистического анализа. Практикум по статистическим методам и исследованию операций с использованием пакетов "Statistica" и "Excel". -М.: Форум, 2004 - 464 с. 1Д?Ш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------
Стефанов Виктор Кириллович - Главный энергетик, Филиал ОАО ХК «Якутуголь» Разрез «Нерюнгринский», viktor. stefanov@mechel. com
Антоненков Дмитрий Васильевич - кандидат технических наук, доцент кафедры ЭПиАПП Технический институт (филиал) Северо-Восточного федерального университета, зам. главного энергетика Филиал ОАО ХК «Якутуголь» Разрез «Нерюнгринский», [email protected]
