CC BY
32
_ © Г.М. Петров, А.Г. Кутепов, 2015
УДК 622.862.7
Г.М. Петров, А.Г. Кутепов
АНАЛИЗ СИСТЕМЫ ЗАЗЕМЛЕНИЯ Ш
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
ОБОГАТИТЕЛЬНЫХ ФАБРИК
Обогатительные предприятия в Российской Федерации относятся к опасным производственным объектам. Низковольтные электрические приемники таких объектов должны быть запитаны от электрической сети с изолированной нейтралью источника питания. Тем не менее, существующие Правила безопасности при дроблении, сортировке, обогащении полезных ископаемых и окусковании руды концентратов по разному трактуют применение электрических сетей с различными режимами нейтрали для электроснабжения потребителей обогатительных фабрик. Для питания потребителей напряжением до 1 кВ рекомендуются к использованию электрические сети с различными режимами нейтрали. Эта неясность толкования поставила задачу сравнить электрические сети до 1 кВ с различными режимами нейтрали. Рассмотрены различные случаи прикосновения человека к аварийному оборудованию в электрической сети с глухозаземленной нейтралью напряжением до 1 кВ. При анализе различных случаев получены аналитические зависимости напряжения прикосновения от различных параметров электрической сети.
Ключевые слова: обогатительные фабрики, короткое замыкание, электрическая сеть с изолированной нейтралью, электрическая сеть с глухозаземленной нейтралью, системы заземления, зануление.
Общие сведения
В соответствии с технологическим назначением оборудование обогатительной фабрики делится на следующие технологические комплексы [1]:
• ТК транспортировки полезного ископаемого - комплекс технологического и вспомогательного оборудования для транспортировки полезного ископаемого в обогатительную установку, а также для складирования шлама, отсева и т.п.;
• ТК обогащения - комплекс технологического и вспомогательного оборудования по обогащению полезного ископаемого, а также складирования породы;
• ТК погрузки - комплекс технологического и вспомогательного оборудования для складирования сортового концентрата, погрузки сортового концентрата в железнодорожные вагоны со склада или напрямую из обогатительной установки;
• ТК электротолкателей - комплекс технологического и вспомогательного оборудования обеспечивающего работу вагонных электротолкателей.
Электроснабжение технологических комплексов обогатительной фабрики осуществляется от трансформаторных подстанций. Для приема электроэнергии от сети энергосистемы и распределения ее между цехами по территории предприятия сооружают одну или несколько главных понизительных подстанций (ГПП) или осуществляют глубокий ввод. В последнем случае напряжение поступает на несколько промежуточных подстанций, понижающих напряжение до 6-10 кВ и обслуживающих группу цехов и механизмов. От шин ГПП и ПГВ электрическая энергия поступает непосредственно к крупным механизмам (дробилкам, мельницам, эксгаустерам и др.) и к трансформаторам цеховых подстанций.
Цеховые подстанции (ТП) и распределительные устройства (РУ) 6-10 кВ, как правило, пристраиваются к корпусу цеха или встраиваются в него. Питание подстанций осуществляется чаще всего кабельными линиями; питание РУ - по кабельным линиям и шинопроводам.
Электроэнергию внутри производственных корпусов и между соседними корпусами, получающих электроэнергию от одной подстанции, распределяют с помощью распределительных линий (РЛ). Распределительные линии могут быть радиальными, магистральными и комбинированными.
Трехфазные электроприемники обогатительных фабрик в основном питаются напряжением 0,38; 0,66; 6 или 10 кВ; однофазные электроприемники -напряжением 0,22 кВ частотой 50 Гц.
В отношении надежности электроснабжения все электропотребители согласно ПУЭ (7-е изд.) [2] делятся на три категории. На углеобогатительных, рудообогатительных и агломерационных фабриках к потребителям первой категории относятся сравнительно небольшое число электроприемников, такие, как сгустители, вращающие печи, насосы смазки аглоэксгаустеров, противопожарные насосы, насосы для перекачки хвостов, если не предусмотрен аварийный сброс их, а перерыв в электроснабжении может вызвать затопление фабрики. К электропотребителям второй категории на обогатительных фабриках относятся все основные электроприемники - дробилки, мельницы, сепараторы, вентиляторы, осадочные машины и т. п. К электропотребителям третьей категории относится большинство электроприемников вспомогательных цехов обогатительных и агломерационных фабрик, таких, как склады, механические мастерские, прибороразделочные отделения, химическая лаборатория, административный быткомбинат и другие помещения.
В соответствии с ПБ 03-571-03 «Единые правила безопасности при дроблении, сортировке, обогащении полезных ископаемых и окусковании руд и концентратов» [3] объекты, на которых ведутся работы по обогащению полезных ископаемых, в соответствии с Федеральным законом Российской Федерации «О промышленной безопасности опасных производственных объектов» [4] отнесены к опасным производственным объектам. Обогащение полезных ископаемых включает в себя технологические процессы дробления, сортировки и переработки полезных ископаемых, окускование руд и концентратов полезных ископаемых.
Обычно для электроснабжения опасных производственных объектов горнодобывающей отрасли используется электрическая сеть с изолированной нейтралью источника тока (подземные и открытые горные работы). На обогатительных же фабриках есть различные толкования. Так согласно п. 793 ПБ 05580-03 [5] в электроустановках стационарного типа напряжением до 1 кВ на действующих объектах, как правило, используется глухозаземленная нейтраль, а для вновь проектируемых объектов обогатительных фабрик рекомендуется применение изолированной нейтрали. Согласно п. 354 ПБ 03-571-03 [3] для осветительных сетей обогатительных фабрик должна применяться электрическая схема с изолированной нейтралью при линейном напряжении не выше 220 В. Как должны питаться силовые электроприемники в данном нормативном документе вообще не прописано. Поэтому в данной статье была поставлена задача анализа применения различных систем заземления в электрических сетях напряжением до 1 кВ с различными режимами нейтрали источника тока.
Основная часть
В настоящее время на обогатительных фабриках в электрической сети напряжением до 1 кВ нашла применение система заземления ТЫ, при которой корпуса электроприемников имеют металлическую связь с нулевой точкой источника питания. При анализе данной системы заземления рассмотрим различные случаи короткого замыкания.
На рис. 1 приведена схема замыкания фазы на корпус в электрической сети напряжением до 1 кВ с системой заземления ТЫ.
В работах [7] и [8] рассматривается замыкание фазы на корпус без участия человека. Рассмотрим различные случаи прикосновения человека к оборудованию, оказавшегося под напряжением.
Для анализа различных случаев системы зазеления ТЫ рассматривался типовой участок обогатительной фабрики со следующими данными:
1. Трансформатор ТМ-1600/6-0,4.
2. Линия № 1 (от ТМ до ВРУ): шина АД31 80х10 (3 шт.), 11 = 10 м.
Рис. 1. Схема замыкания фазы на корпус в системе TN: 1 - аварийный электроприемник; TV - силовой трансформатор (источник питания); ВРУ - вводно-распределительное устройство; РЩ - распределительный щит; QFV QF2 - автоматические выключатели; L1, L2, L3 - фазы силовой питающей сети; PEN - совмещенный нулевой рабочий и нулевой защитный проводник; ШУП - шина уравнивания потенциалов; R - сопротивление тела человека, Ом; r0 - сопротивление заземляющего устройства нейтрали источника питания, Ом; R3n - сопротивление повторного заземлителя, Ом; L ,,, L,,, 1.,.. 1,„, L,„, 1_,„ и 1,,_, L,_, 1_, J - соответствен-
1 ' ' 1,ф1 2ф1' 3ф1 4 1ф2' 2ф2' 3ф2 1ф3' 2ф3' 3ф3'
но протяженности линий № 1, № 2 и № 3 фазы № 1 (фазы № 2 и фазы № 3), м; 11PEN, 12PEN -соответственно протяженности линий № 1 и № 2 совмещенного нулевого рабочегои нулевого защитного проводника, м; 13PE - протяженность линии № 3 нулевого защитного проводника, м; ПУП1 - проводник уравнивания потенциалов от нулевой точки источника питания до аварийного электроприемника; ПУП2 - проводник уравнивания потенциалов от корпуса аварийного электроприемника до магистрального проводника уравнивания потенциалов; ПУП3 - проводник уравнивания потенциалов от аварийного электроприемника до повторного заземлителя; IK3 - ток короткого замыкания, А; 1ч - часть тока КЗ, проходящего через тело человека, А; 1ПУП1, 1ПУП2, 1ПУП3 - части тока КЗ, проходящие соответственно через проводники уравнивания потенциалов ПУП1, ПУП2 и ПУП3, А; I0 - часть тока КЗ, проходящая через заземление нейтрали, А.
Рис. 3. Схема замещения
Рис. 2. Общая схема замещения: zт - полное сопротивление трансформатора, Ом; zк - сопротивление контакта в месте замыкания, Ом; Rпер = Rп + Rоб - переходное сопротивление между полом и человеком, Ом; Rп - сопротивление пола, Ом; Rоб - сопротивление обуви, Ом
3. Линия № 2 (от ВРУ до РЩ № 1): кабель АНРГ 4х185 (2 шт.), \г = 200 м.
4. Линия № 3 (от РЩ № 1 до ЭД (шаровая мельница - ШМ): Рн = 25 кВт, 13 = 50 м.
5. Магистральная стальная шина 40х4, l = 270 м (ПУП1).
6. Стальная шина от ШМ до магистральной стальной шины 40х4, l = 10 м (ПУП2).
7. Стальная шина от ШМ до повторного заземлителя 40х4, l = 50 м (ПУП3).
На рис. 2 представлена модель электрической сети при замыкании фазы на
корпус электрооборудования.
При анализе данной схемы были рассмотрены три случая:
• прикосновение к аварийному оборудованию в случае отсутствия повторного заземлителя;
• прикосновение к аварийному оборудованию, расположенному от повторного заземлителя на определенном расстоянии;
• прикосновение к аварийному оборудованию, расположенному непосредственно у повторного заземлителя.
1-й случай.
На рис. 3 представлена схема замещения электрической сети для первого случая после выполнения преобразований рис. 2.
^ = + ^ф + ^ф + ^ Ом.
Z2 = ^р^ + ^РЕЫ + ^РЕ, Ом. ^ = Г0 + ЯЗП + ^ Ом.
2 • 2
7 _ ^ПУП1 3
^Л — '
7ПУП1 + 73
Ом.
Z5 = ^УП2 + Z4, Ом.
Решая уравнения
¡1 _ 4 + 13
йф _ / •(7а + 7к) + / • 75
¡2 • 72 _ ¡3 • 75 , получим
¡1 _
¡2 _
йф (72 + 75)
(71 + 7к )(72 + 75 )+ 72 • 75
йф • 75
(71 + 7к )(72 + 75 ) + 72 • 75
А _
йф • 72
(71 + 7к )(72 + 75 ) + 72 • 75
йпр _ ¡1 • 7к + А3 • 7пуп 2 + А5 •( Я3П + 7пуп 3 )
й _ й I-7ПУП2 • 73 + 74 • (7ПУП3 + КЗП )] + 73 • 7к ' (72 + 75 ) " _ ф 73 •[(71 + 7к)(72 + 75) + 72 • 75]
Были получены зависимости напряжения прикосновения от следующих параметров электрической сети:
• Zк - контактное сопротивление в месте контакта;
• ЯЗП - сопротивление повторного заземлителя;
• соотношения Z1/Z2;
• соотношения Z1/Z3,
где Z1 - сопротивление цепи фазного проводника; Z2 - сопротивление цепи зануления, Z3 - сопротивление цепи заземления.
На рис. 4 приведена зависимость Цпр = f (ЯЗП) при разных сопротивлениях заземления нейтрали источника питания, а на рис. 5 - зависимость Цпр = f
при разных значениях сопротивления повторного заземлителя для двух случаев: случай 1 - шина уравнивания потенциалов (ШУП) и повторный заземлитель (ЗП) находятся вдалеке от аварийного оборудования; случай 2 - шина уравнивания потенциалов (ШУП) и повторный заземлитель (ЗП) находятся рядом с аварийным оборудованием.
2-Й случай (прикоснове-ц ние человека к ШУИ - ши-Ящ, ом не уравнивания потенциа-Рис. 4. Зависимость Ипр = Щзт) ЛОв).
ит„в
130 2 150 V" -4\
100 30
1
60
20
0
0,6
о,г
случаи, случай,
1,2
1?зп ~ 2 Ом: Я™ = 2 Ом
1А
1.6
А - г.,/г.
1 - 1-й случай. Язп" 0.5 Ом: 2 - 1-й 3 —2-й случай. Е1ЗП == 0.5 Ом;4 Рис. 5. Зависимость Uпр = f(Z1/Z3)
На рис. 6 представлена схема замещения электрической сети для второго случая после выполнения преобразований рис. 2. Решая уравнения
/1 = 1 2 + /а
иф = /1 •( ¿1 + ¿к) + /а • ¿11
/ • И = / • 2
12 2 1а ^11
где 76 = 7ПУП3 + ЯзП 77 _ Яч + Япер;
711 = 7пуп2 + Z10, получим
И • И
¿6 + ¿7
/ =
иф (¿2 + ¿5 )
(¿1 + ¿к )(¿2 + ¿11)+ ¿2 • ¿
¿ • ¿
7 _ г + 7 . 7 = ¿-пут 9 9 '0 "Г ^8> А10 _
¿ПУП1 + ¿9
11
/2 =
(¿1 + ¿к )(¿2 + ¿11) + ¿2 • ¿:
11
/а =
ЦЛ
и = иф
пр ф
(¿1 + ¿к )(¿2 + ¿11) + ¿2 • ¿11 ¿ • ¿
О ¿-Т.
(г0 + ¿8 ) • [¿1 •(¿2 + ¿5 ) + ¿2 • ¿5 ]
I 0-
Ф
к
Были получены зависимости напряжения прикос- РЕК новения от следующих параметров электрической сети:
• - контактное сопротивление в месте контакта;
• - сопротивление цепи заземления;
• соотношения
• соотношения где - сопротивление цепи фазного проводника; г0 - сопротивление заземления нейтрали источника Рис. 6. Схема замещения
гК
IV В 160
(0=1,? < )м Л = 2 /] = 4 Он
/
/
"гГ- Ю|Ои
Рис. 9. Схема замещения
Рис. 7. Зависимость ипр = £ (¿8)
Рис. 8. Зависимость ипр = £ (¿^¿^
Решая уравнения
¡1 _ А + 13
йф _ А •(71 + 7к) + ¡3 • 79
/ • 7 _ I • 7
12 8 л3 9
7 • 7
где Z = Z + Z ; 7 _ 2 7
7 ПУП1 ПУП2' 78 -~
72 + 77
питания, Z8 - сопротивление цепи заземления.
На рис. 7 приведена зависимость Ц = f (Z8) при разных сопротивлениях заземления нейтрали источника питания, а на рис. 8 -зависимость Цпр = f (Z1/Z8).
3-й случай (прикосновение человека к аварийному оборудованию).
На рис. 9 представлена схема замещения электрической сети для третьего случая после выполнения преобразований рис. 2.
¡1 _
йф (78 + 79)
(71 + 7к )(78 + 79 )+ 78 • 79
А _
Z9 = г0 + Яч + Кпер, получим
йф • 79
(71 + 7к )(78 + 79 ) + 78 • 79
¡3 _
йф • 78
(71 + 7к )(78 + 79 ) + 78 • 79
U пр = /
■ ZK + /3 (R4 + Кп6р)
0 = 0 2К (¿8 + ) + ¿8 (А, + )
- " Ф {I, + ¿к + ¿9 ) + ¿8 • ¿9
Были получены зависимости напряжения прикосновения от следующих параметров электрической сети:
• I - контактное сопротивление в месте контакта;
• соотношения rJR ,
0 ч'
• соотношения Z^Zg
• соотношения Z^Zg
• соотношения r„/R ,
0 пер'
где Z1 - сопротивление цепи фазного проводника; R4 - сопротивление тела человека; r0 - сопротивление заземления нейтрали источника питания; Zg - сопротивление цепи зануления; Zg - сопротивление цепи заземления; R - переход-
пер
ное сопротивление между полом и телом человека.
На рис. 10 приведена зависимость U = f (r„/R )
пр 4 о ч'
при разных значениях переходного сопротивления, а на рис. 11 - зависимость
ипр = f (Zi/Zg). Выводы:
Полученные аналитические выражения позволят в дальнейшем получить зависимости для типового участка обогатительной фабрики для различных систем заземления с разными режимами нейтрали источника тока.
iVH
103
-- 1SW1 Ом
iilKjL »110 Он
0.2
Рис. 10. Зависимость Un = f (rg/R J
u„„ а
0.5 0,6
А - r„/R.lcl,
------- - Kl К) Он
^гп = jMHKta
0,ООО*. 0,0006
Л ■ Z. Za
Рис. 11. Зависимость Un = f (Z1/Z9)
1. Абрамов А.А. Переработка, обогащение и комплексное использование твердых полезных ископаемых: Учебник для вузов. Т. 2. Технология обогащения полезных ископаемых. - М.: Изд-во МГГУ, 2004. - 510 с.
2. Правила устройства электроустановок.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Седьмое издание. - М.: ЗАО «Энергосервис», 2002.
3. ПБ 03-571-03. Единые правила безопасности при дроблении, сортировке, обогащении полезных ископаемых и окусковании руд и концентратов, 2003.
4. Федеральный закон № 116-ФЗ от 15.03.2013 г. О промышленной безопасности опасных производственных объектов, 2013.
5. ПБ 05-580-03. Правила безопасности при обогащении и брикетировании углей (сланцев), 2003.
6. Манойлов В.Е. Основы электробезопасности. - 5-е изд., перераб. и доб. - Л.: Энергоатомиздат, 1991. - 480 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
7. Петров Г.М., Кутепов А.Г., Саркисян Р.М. Анализ заземляющей системы в электрической сети с глухозаземленной нейтралью источника питания // Горный информационный аналитический бюллетень. - 2012. -№ 6. - С. 270-275.
8. Кутепов А.Г., Петров Г.М. Исследование заземляющей сети машин и оборудования горной промышленности // Научный вестник МГГУ. - 2012. - № 5. - С. 50-58. ЕШ
Петров Геннадий Михайлович - кандидат технических наук, профессор, e-mail: [email protected],
Кутепов Антон Григорьевич - аспирант, e-mail: [email protected], МГИ НИТУ «МИСиС».
UDC 622.862.7
ANALYSIS OF THE EARTHING SYSTEM TN WHEN OPERATING OF ELECTRIC NETWORKS OF PROCESSING PLANTS
Petrov G.M.1, Candidate of Technical Sciences, Professor, e-mail: [email protected], Kutepov A.G.1, Graduate Student, e-mail:[email protected],
1 Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.
Processing plants in the Russian Federation are hazardous production facilities. Low-voltage electrical receivers such objects must be powered from the electrical network with insulated neutral of power supply. However, existing safety rules at crushing, screening, mineral processing and agglomeration of ores and concentrates on the different interpretations of the application of electrical networks with different modes of neutral electricity for consumers of processing plants. To supply consumers with voltage up to 1 kV are recommended to use electrical networks with different modes of neutral. This ambiguity of interpretation set the task to compare the electrical networks up to 1 kV with different modes of neutral.
Examined various cases of human contact to emergency equipment in the electrical network with deadly earthed neutral voltage up to 1 kV. In the analysis of different cases are obtained analytical dependences of contact voltage from various parameters of electrical network.
Key words: processing plants, short circuit, electrical network system with isolated neutral, electrical network system with deadly earthed neutral, earthing systems, earth and neutral.
REFERENCES
1. Abramov A.A. Pererabotka, obogashchenie i kompleksnoe ispol'zovanie tverdykh poleznykh iskopae-mykh: Uchebnik dlya vuzov. T. 2. Tekhnologiya obogashcheniya poleznykh iskopaemykh (Processing, dressing and multipurpose utilization of solid minerals: Textbook for high schools, vol. 2. Technology of dressing of minerals), Moscow, Izd-vo MGGU, 2004, 510 p.
2. Pravila ustroistva elektroustanovok. 7-e izd. (Regulations for Electrical Installation, 7th edition), Moscow, ZAO «Energoservis», 2002.
3. Edinye pravila bezopasnosti pri droblenii, sortirovke, obogashchenii poleznykh iskopaemykh i okusko-vanii rud i kontsentratov. PB 03-571-03 (Unifiedsafety rules forcrushing, sorting, dressing of mineralsandagglomeration ofores and concentrates. Safety Regulations 03-571-03), Moscow, 2003.
4. O promyshlennoi bezopasnosti opasnykh proizvodstvennykh ob"ektov. Federalnyi zakon no 116-FZ ot 15.03.2013 g. (On industrial safety of hazardous production facilities. Federal Law No. 116-FZ of 03.15.2013.), Moscow, 2013.
5. Pravila bezopasnosti pri obogashchenii i briketirovanii uglei (slantsev) PB 05-580-03 (Safety rules for dressing and briquetting of coal (shale). Safety Regulations 05-580-03), Moscow, 2003.
6. Manoilov V.E. Osnovy elektrobezopasnosti. 5-e izd. (Fundamentals of electrical safety, 5th edition), Leningrad, Energoatomizdat, 1991, 480 p.
7. Petrov G.M., Kutepov A.G., Sarkisyan R.M. Gornyi informatsionnyi analiticheskii byulleten'. 2012, no 6, pp. 270-275.
8. Kutepov A.G., Petrov G.M. Nauchnyi vestnik MGGU. 2012, no 5, pp. 50-58.
