CC BY
69
длины линии электропередачи. 8. Частота и затухание колебаний свободной со-
7. Величина перенапряжений, действующих в ставляющей тока и напряжения в системе обратно
системе, не зависит от величины э.д.с. выпрямителя. пропорциональны длине кабельной линии.
1. Кошляков И. С., Глин ер Э.Б., Смирнов М.М. Основные уравнения математической физики. - М.: Издательство физико - математической литературы, !962. 767 с., ил.
2. Левинштейн М.Л. Операционное исчисление в задачах электротехники. Издю 2-е, доп., Л.: «Энергия»
1972. - 360 стр. с ил. 3. Конторович М.И. Операционное исчисление в электрических цепях. - М: Наука, 1964. - 328 с., ил.
3. Бутковский А.Г. Характеристики систем с распределенными параметрами. - М.: Наука, 1979. -
224с.,ил.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Теумин ИИ Справочник по переходным электрическим процессам. - М.: Связьиздат, 1951. - 1951 .- 409 с., ил.
5. Диткин В.А, Прудников А.П. Справочник по операционному исчислению. - М.: Высш. школа, 1965. -466 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Юрин Ю.Г. - Тульский государственный университет.
УАК 662.012.3:621.311
© В.А. Голубев, А.А. Комаров,
Н.И. Тархова, С.Н. Башмаков, 2003
B.А. Голубев, А.А. Комаров, Н.И. Тархова,
C.Н. Башмаков
НОВОЕ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОРУАОВАНИЕ АЛЯ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ГЛУБОКИХ КАРЬЕРОВ
Основным направлением развития открытых горных работ по добыче твердых полезных ископаемых и строительных материалов является переход на разработку месторождений на больших глубинах (250-300 м и более). Эта тенденция в развитии открытого способа разработки месторождений ставит перед горнодобывающими предприятиями, проектными и исследовательскими организациями ряд проблем по совершенствованию техники и технологии горных работ, системы энергообеспечения технологических комплексов и т.д.
Из указанных проблем особо важное место занимает проблема энергообеспечения технического оборудования на больших глубинах. Она сложна и многогранна и требует научно-практического решения ряда неотложных задач, а именно:
* - обеспечение надежности,
безопасности и экономичности системы энергообеспечения;
* - обеспечение мобильности и
маневренности системы энергообеспечения и ее основных узлов;
* - построе-
ние системы энергообеспечения из элементов и оборудования блочно-модульного исполнения, не требующих периодического и частого технического обслуживания и ремонта в период экс-
плуатации;
* _ нение новейших
приме-способов и
средств защиты технологического оборудования от аварийных режимов с использованием бесконтактных герметизированных
элементов.
Важность и сложность проблемы надежного энергообеспечения технических установок карьеров на больших глубинах объясняется, прежде всего тем, что при применении на глубоких карьерах мощного и унифицированного технологического оборудования с улучшенными энергетическими характеристиками и прогрессивной циклично-поточной технологии (ЦПТ) горных работ перерывы в энергообеспечении даже при их относительно небольшой продолжительности приводят к значительному материальному и финансовому ущербу.
Отличительными особенности энергообеспечения глубоких карьеров являются неоднородность и рассредоточенность разнообразно подключенных к различным узлам сети энергообеспечения электропотребителей, чрезвычайная разветвленность и протяженность питающих и распределительных электрических сетей, наличие электроустановок с различными режимами работы нейтрали трехфазных систем и т.д. Поэтому при проектировании новых и реконструкции действующих систем энергообеспе-
чения технологических комплексов на больших глубинах основным направлением работ в технических решениях должно быть совершенствование существующего и создание принципиально нового и высокоэффективного электрооборудования и электросетевых устройств с повышенной электродинамической и термической стойкостью в блочно-модульном исполнении, отвечающих специфическим горнотехническим и климатическим условиям горных работ на больших глубинах, а также максимальное уменьшение протяженности и разветвленности сетей энергообеспечения на основе приближения источников питания к центрам энергонагрузок (ЦЭН) и применения рациональных схем распределения энергии. Важным направление работ при этом является также совершенствование существующих и создание новых способов и средств ограничения токов короткого замыкания (ТКЗ), внутренних и атмосферных перенапряжений в сетях энергообеспечения, релейной защиты, сигнализации, радиотелеуправления и контроля.
За последние пять лет совместными усилиями научно-исследовательских организаций и горнодобывающих предприятий создано, освоено в производстве широко внедряется в промышленную эксплуатацию на горных предприятиях большое количество новых видов прогрессивного и эффективного электрооборудования и электросетевых устройств, способов и средств защиты, контроля и управления. Однако, многие виды нового электрооборудования и электросетевых устройств недостаточно освещены в периодической и научно-технической литературе и поэтому не известны широкому кругу научных и инженерно-технических работников научноисследовательских и проектных организаций, горнодобывающих предприятий и высших учебных заведений. Настоящая статья имеет целью ознакомление широкой научно-технической общественности с новейшими разработками в области создания и внедрения электротехнических комплексов для энергообеспечения горных работ на больших глубинах карьеров.
Для распределения электроэнергии по уступам карьеров наиболее рациональными и эффективными являются схемы энергообеспечения с использованием карьерных передвижных распределительных пунктов (КРП) с вакуумными коммутационными аппаратами (выключателями, контакторами) с различной компоновкой встраиваемого электрооборудования. КРП можно быстро перемещать с одного уступа на другой и, следовательно, повысить мобильность и маневренность системы энергообеспечения, сократить протяженность внутрикарьерных линий электропередачи напряжением 6 кВ. Применение КРП напряжением 6-10 кВ сокращает также объем строительных и монтажных работ и сроки их сооружения.
В 1999 г. разработан, освоен в производстве и прошел промышленные испытания в условиях Восточной Сибири КРП на базе комплектных распредуст-ройств типа УКРУ-6(10) УХЛ2 в мобильном контейнерном исполнении с элементами транспортирования, внешнего освещения и теплоизоляции. Упомянутые
КРП выгодно отличаются от ранее применявшихся и имеет следующие технические характеристики:
Номинальное напряжение, кВ 6
Номинальный ток главных цепей, А 630
Номинальный ток отключения выключателя, кА 10 Ток термической стойкости 3 сек., кА 10
Ток электродинамической стойкости главных цепей, кА 25
Вид изоляции воздушная
Выключатель вакуумный
Питание КРП предусмотрено как одностороннее, так и двухстороннее.
КРП с односторонним питанием имеет одну ячейку ввода, одну ячейку трансформатора собственных нужд, одну ячейку трансформатора напряжения и не более шести ячеек отходящих линий.
КРП с двухсторонним питанием состоит из двух ячеек ввода, из двух ячеек трансформатора собственных нужд, из двух ячеек трансформатора напряжения, из одной ячейки секционирования и не более одиннадцати ячеек отходящих линий.
По результатам промышленной эксплуатации установлено, что применение схемы распределения электроэнергии глубоких карьеров с использованием КРП с вакуумными выключателями обеспечивает снижение продолжительности отказов системы энергообеспечения горного участка в 4 раза, что, в свою очередь, снижает простои экскаваторов и буровых станков в 8 раз. Применение в схемах энергообеспечения КРП с вакуумными выключателями снижает затраты на техническое обслуживание и ремонт одной ячейки в 12 раз, затраты на устранение отказов - в 4 раза, затраты, связанные с вынужденными простоями - в 7 раз. В целом суммарные эксплуатационные затраты на обслуживание одной ячейки КРП снижаются в 7,5 раз.
В настоящее время с использованием тех же упомянутых выше комплектных распредустройств УКРУ-6(10) УХЛ2 освоено производство контейнерных распределительных устройств типа БКРУ-6(10)УХЛ1, предназначенных для питания буровых установок, драг и земснарядов.
Встраиваемые в БКРУ шкафы одностороннего обслуживания типа УКРУ-6(10)УХЛ2 имеют значительно меньший вес и габариты по сравнению со шкафами К-59, укомплектовываются однотипными вакуумными коммутационными аппаратами исполнения УХЛ на вводе и на линиях, отходящих к двигателям, каждый из этих аппаратов имеет индивидуальную защиту присоединяемого электропотребителя от коммутационных перенапряжений при помощи ограничителей перенапряжения ОПН, в отличие от шкафов К-59 применена традиционная стационарная установка основного высоковольтного электрооборудования, исключающая выкатные элементы, закрывающие проход в коридоре обслуживания при отключении одной из отходящих линий.
Применение тяжелых выкатных элементов для малообслуживаемых вакуумных высоковольтных аппаратов излишне, а "высокая" безопасность обслуживания шкафов с выкатными элементами и што-рочными механизмами в условиях производства буровых работ сомнительна из-за того, что, зачастую,
шторочный механизм, закрывающий доступ к розеткам втычных контактов, находящихся под напряжением и расположенных непосредственно перед оператором, открывается им принудительно для выяснения причин отказа втычных контактов выкатного элемента без снятия напряжения. Как правило, это ведет к электротравматизму.
КРП типа БКРУ-6(10)УХЛ 1, в отличие от ранее выпускавшихся комплектных распредустройств типа КРУНБ-6(10)У1, поставляются в контейнерах-блоках, которые по заказу изготавливаются с полной теплоизоляцией.
Внутри контейнера предусмотрен обогреваемый коридор обслуживания и отсек для установки силового трансформатора собственных нужд мощностью до 63 кВА.
Общая масса БКРУ меньше шкафов К-59 приблизительно в два раза при равнозначных схемах первичных соединений.
Для контроля за состоянием вакуумных дугогасительных камер (ВДК) высоковольтных вакуумных выключателей и контакторов разработан и освоен в производстве индикатор высокого напряжения ИВН 2-10. Индикатор обеспечивает визуальную световую индикацию наличия высокого напряжения на шинах электроустановок с линейным напряжением 6 и 10 кВ и частотой 50 Гц. Индикаторы могут работать с емкостными датчиками двух типов: ДВНК-10 - керамический для передачи сигнала на расстояние более 3 м, ДВНП-10 - проводниковый для передачи сигнала на расстояние до 3 м. Датчики индикатора могут устанавливаться на шинах электрических подстанций, комплектных распределительных устройств внутренней (КРУ) или наружной (КРУН) установки, коммутационных аппаратах, трансформаторах и другом оборудовании. Блок индикации выдает световой сигнал при наличии на оборудовании напряжения не менее чем 50% от номинального значения. Величина тока, проходящего по шинам, не влияет на его показания. Индикатор не требует дополнительных источников питания.
Индикаторы целесообразно применять для получения информации о наличии или отсутствии напряжения на участках высоковольтных линий после выполнения коммутационных операций выключателями, разъединителями, контакторами. При этом блок индикации может размещаться на фасадных панелях шкафов, КРУ, КРУН, КСО, на выкатных тележках выключателей, на дверях отсеков с высоковольтным оборудованием. При установке блока индикации на диспетчерских пультах управления длина соединительных проводов не должна превышать 30 м.
Индикатор имеет следующие технические характеристики:
Номинальное напряжение (линейное), кВ 6-10
Испытательное напряжение высоковольтных цепей 50 Гц (по ГОСТ 1516.1), одноминутное, кВ 42
Климатическое исполнение по ГОСТ 15150-69 УХЛ2
Верхнее и нижнее значение рабочей температуры +55 окружающей среды, град. С -60
Окружающая среда невзрывоопасная
Диапазон устойчивой индикации, % от номинального
напряжения 50-200
Расстояние и сектор однозначного визуального восприятия информации 2 м, 30 град
Степень электрической защиты блока индикации по ГОСТ 14254-80 1Р41
Наибольшее расстояние установки блока индикации, м
с датчиком ДВНК 20
с датчиком ДВНП 3
Срок службы индикатора, лет 25
Наработка индикаторных элементов, не менее 5000 ч Габаритные размеры, мм
датчика 30х70х6
блока индикации 120х50х40
Масса, кг 0,3
Принцип работы индикатора основан на использовании емкостного тока, протекающего через цепь, образованную емкостью датчика относительно ши-нопровода, разрядные элементы и элемент индикации. Разрядные элементы предназначены для аккумулирования
электрической энергии на датчиках и работают в импульсном режиме. Они имеют выводы в корпус индикатора. Напряжение в индикаторном блоке в нормальном режиме достигает 600-800 В при линейном напряжении 10 кВ и 340-460 В при 6 кВ. Протекающий емкостной ток не превышает 100 мкА.
Для подключения электроприемников к электрораспределительным сетям (КРС) на глубоких карьерах применяются специальные комплектные распре-дустройства (КРУ), называемыми приключательны-ми пунктами (ПП). На большинстве горных предприятий применяются ПП устаревшей конструкции и с масляными выключателями.
Исследованиями ИГД УрО РАН установлено, что эти ПП имеют низкую эксплуатационную надежность, не обеспечивают надлежащую безопасность при обслуживании и эксплуатации. Эксплуатационная надежность приключательных пунктов типа ЯК-НО характеризуется следующими показателями: наработка на отказ составляет 3990 ч., параметр потока отказов - 2,5 х 10 -4 1/ч, вероятность безотказной работы за 2000 ч - 0,806. Основной причиной выхода из строя ПП с масляным выключателем является повреждение масляного выключателя, на который в среднем приходится 38,3-42,4% отказов от общего их количества по приключательному пункту.
Эксплуатационная надежность масляных выключателей характеризуется следующими показателями: наработка на отказ составляет 8151 ч, параметр потока отказов - 1,22 х 10-4 1/ч, среднее время восстановления - 1,75 ч.
Основными недостатками масляных выключателей являются:
• значительные электрокоррозийные разрушения контактов под действием больших токов в масляной среде;
• окисление и загрязнение масла;
• взрывоопасность и пожароопасность масла;
• неодновременность замыкания контактов и т.д. Использование масла в качестве дугогасящей и
изолирующей среды отрицательно сказывается на надежность выключателей и безопасность их об-
служивания.
Перечисленные недостатки масляных выключателей носят принципиальный характер и позволяют характеризовать масляный выключатель как ненадежный элемент приключательного пункта и требующий больших эксплуатационных затрат на поддержание его работоспособности. Эксплуатационные характеристики ПП значительно могут быть улучшены путем замены в них масляных выключателей вакуумными.
Вакуумные выключатели обладают следующими достоинствами:
а) быстрое восстановление электрической прочности;
б) погашение дуги при первом переходе тока через нуль;
в) не требуется уход за контактами;
г) нетоксичность; взрыво и пожаробезопасность;
д) широкий диапазон температуры окружающей среды от +50оС до -50оС;
е) большой срок службы без ревизии и ремонтов;
ж) высокая надежность;
з) низкие эксплуатационные затраты.
Существенные недостатки имеются также в конструкции самих ПП. Существующие конструкции ПП не отвечают требованиям условий эксплуатации. Оболочки ПП не обеспечивают надежной защиты встроенной в них аппаратуры от воздействия окружающей среды, вследствие чего около 25% отказов ПП происходит по причине перекрытия загрязненных изоляционных конструкций. Существующие ПП имеют недостаточную жесткость и механическую прочность, что приводит к их частым поломкам.
ПП не оборудованы штепсельными разъемами для подсоединения вводных и выводных концов гибких кабелей, что существенно влияет на надежность системы энергообеспечения в условиях карьеров. На концевые заделки кабелей, применяемые в настоящее время, приходится значительное число повреждений (30-50%) по ПП. Для выпускаемых ПП характерно также несовершенство схем и отсутствие надежных средств защиты и автоматики, что является причиной значительных перерывов в электроснабжении горных машин. В связи с этим возникла необходимость разработки и освоения в производстве ПП с вакуумными выключателями.
В настоящее время разработаны, освоены в производстве и поставляются на горные предприятия одиночные приключательные пункты типа ЯКНО-10У1В с новыми компоновочными и схемнорежимными решениями восьми типоисполнений в зависимости от назначения:
• - приключательный пункт в исполнении I, III, IV, VII предназначается для присоединения к электрораспределительным сетям
• различных электропотребителей;
• приключательный пункт в исполнении II предназначается для присоединения к электрораспределительным сетям роторных комплексов и карьерных экскаваторов;
• приключательный пункт исполнения V и VI предназначен для секционирования электрораспределительных сетей карьеров;
• приключательный пункт исполнения VIII предназначен для обеспечения питания электроосветительных сетей карьеров с совмещением основных функций присоединения и защиты электропотребителей.
• По типу встроенного высоковольтного выключателя и трансформатора одиночный приключательный пункт ЯКНО-ЮУ1В выпускается в следующих модификациях:
• ЯКНО-6У1В-ЭВ и ЯКНО-ЮУ1В-ЭВ - приключательный пункт с вакуумным выключателем ВВТЭ-10-20/630УХЁ2 на напряжение 6 и 10 кВ (исполнение I, II, IV, V, VI и VII);
• ЯКНО-6У1В и ЯКНО-ЮУ1В-В - приключательный пункт с вакуумным выключателем ВВ/ТЕЬ-10(6)-8/630УХЁ2.1 и ВВ/ТЕЬ-10(6)-12.5/630УХЁ2.1 на напряжение 6 и 10 кВ (исполнение I, II, III, V, VI, VII);
• ЯКНО-6У1-ЭТ и ЯКНО-ЮУ1-ЭТ - приключательный пункт с маслозаполненным силовым трансформатором ТМ-25 и ТМ-40 мощностью 25 и 40 кВА на напряжение 10(6)/0,23 (0,4) кВ.
Разработано, освоено в производстве и поставляется предприятиям горнодобывающей промышленности высоковольтное комплектное экскаваторное распределительное устройство (КРУ) 2КВЭ-М-6-630-10 УХЛ2 с принципиально новыми компоновочными и схемно-режимными решениями взамен выпускавшихся с 1969г. и морально устаревших рас-предустройств 2 КВЭ-6. Новое распредустройство оснащено разъединителем РВЗ-6/630 с заземляющими ножами, индикатором высокого напряжения
ИВН 2-10, вакуумным выключателем ВБКЭ и выгодно отличается от других известных экскаваторных распредустройств.
На глубоких карьерах за последние годы находят все более широкое применение высоковольтные коммутационные аппараты, основанные на принципе гашения электрической дуги в глубоком вакууме, постепенно вытесняя ранее применявшиеся небезопасные и ненадежные маломасляные выключатели. Это обусловлено рядом преимуществ, которыми обладают вакуумные коммутационные аппараты. Это, прежде всего, их высокая коммутационная способность, полная пожаро-взрывобезопасность, высокое быстродействие и бесшумность в работе, быстрое восстановление последуговой прочности, простота в эксплуатации и удобство обслуживания, низкие эксплуатационные затраты, виброударная стойкость, малая масса и небольшие габаритные размеры, отсутствие вредного влияния на окружающую среду.
Быстродействие вакуумного выключателя позволяет применять его в схемах автоматического повторного включения (АПВ) и аварийного включения резерва АВР ответственных потребителей горного производства. Последнее особенно важно на карьерах, где имеют место ложные срабатывания защит вследствие низкого качества изоляции электрических сетей.
Вакуумные выключатели и контакторы обладают высоким коммутационным ресурсом, составляющим 25000-100000 циклов "включения-отключения" при
номинальном токе от 400 до 1600А и поэтому могут применяться для частых коммутационных операций, а также для пуска и отключения асинхронных двигателей с короткозамкнутым или фазным ротором, для торможения этих двигателей противотоком и отключения медленно вращающихся двигателей.
В настоящее время освоено производство вакуумных выключателей типа ВБЭК-10-20/1600УХЛ, встраиваемых в ячейки КРУ типа К-59 и К-104, а также используемых для реконструкции ячеек типа К-12, К-13, К-37, КВЭ-10 и др. Выключатель рассчитан на класс напряжения 10 кВ, номинальный ток 1600 А, номинальный ток отключения 20 кА, собственное время включения выключателя не более 0,1 сек, а время отключения не более 0,03 сек, ресурс по коммутационной \стойкости при токе нагрузки 1600 А составляет 25000 циклов "включение-отключение", срок службы до списания 25 лет.
Выключатель смонтирован на выкатном элементе, имеющим в своем составе аварийные расцепите-ли максимального тока, работающие по методу дешунтирования и минимального напряжения. Предусмотрено также ручное включение и отключение выключателя в положении "проверка" и при выкатывании его из КРУ.
Начат серийный выпуск также малогабаритного вакуумного выключателя ВБЭМ-10-12,5/800УХЛ2 на номинальное напряжение 10 кВ, номинальный ток нагрузки 800 А и номинальный ток отключения 12,5 кА. Масса выключателя всего 50 кг. Коммутационный ресурс выключателя при токе нагрузки 800 А -50000 циклов "включение-отключение". Выключатель оснащен аварийными расцепителями максимального тока и минимального напряжения.
Освоены в серийном производстве вакуумные контакторы типа КВТ-10 на номинальное напряжение 10 кВ, номинальный ток 400 А, номинальный ток отключения 4 кА. Полное время отключения контактора не более 0,1 с и рассчитаны они для работы при температуре окружающей среды от +40оС до -45оС, относительной влажности окружающей среды при температуре 25оС -100%, группе условий эксплуатации М13 для синусоидальной вибрации и М19 для механического удара многократного действия. На базе этих контакторов созданы высоковольтные реверсоры, предназначенные для реверсирования вращения мощных двигателей, где необходимо переключение двух фаз источника питания.
Наряду с высоковольтными вакуумными контакторами разработаны и освоены в производстве и низковольтные вакуумные контакторы типа КВТ-
1,14-2,5/250У3 и КВТ-1,14-4/400У3 на номинальное напряжение 1140 В, номинальный ток нагрузки 250 и 400 А и номинальный ток отключения 2,5 или 4 кА. Коммутационный ресурс этих контакторов превышает 1,6 106 циклов "включение-отключение".
Упомянутые вакуумные выключатели серии ВБЭК
и ВБЭМ, вакуумные контакторы серии КВТ по своим техническим и конструкторским параметрам выпускаются в общепромышленном исполнении и на горных предприятиях применимы только в электроустановках промплощадок и пока не допущены к применению на особо опасных объектах горного производства ввиду отсутствия разрешения Госгортехнадзора России в соответствии с РД 03-67-94. Для широкого их внедрения в горнодобывающую промышленность со специфичными условиями работы необходимо провести промышленные испытания их в реальных горнотехнических условиях горного производства, получить экспертное заключение независимой специализированной, аккредитованной организации и специальное разрешение Госгортехнадзора России на оснащение ими горных предприятий.
Создание новых и совершенствование существующих вакуумных коммутационных аппаратов базируется на новейших разработках основного конструктивного их узла - вакуумных дугогасительных камер (ВДК). Поэтому на сегодняшний день уже разработано пятое поколение малогабаритных и высокоэффективных ВДК серии КДВА на напряжение 10 кВ и номинальный ток нагрузки 630, 800, 1000,1600,2500 и 3200 А. Эти ВДК характеризуются следующими данными:
• средняя скорость подвижного контакта камеры 0,5-0,9 м/сек. при включении на последних 4 мм перед замыканием контактов;
• средняя скорость подвижного контакта камеры 1,0-1,9 м/сек. при отключении на расстоянии 4 мм от замкнутого положения;
• дополнительное контактное нажатие не менее 1200 Н;
• время дребезга контактов камеры при включении не более 0,002 с.;
• выбег и возврат подвижного контакта при отключении не более 2 мм;
• ход подвижного контакта 8 мм.
Упомянутые ВДК рассчитаны для работы при
температуре воздуха от +55оС до - 60оС, относительной влажности воздуха - 80% при +20оС, вибрационных нагрузках в диапазоне частот от 0,5 до 100 Гц, ударных нагрузках до 15g.
Технический прогресс в горной электроэнергетике продолжается. Институтом горного дела УрО РАН совместно с другими научно-исследовательскими организациями и горнодобывающими предприятиями подготовлены тематические карточки (ТК) и технико-экономические требования (ТЭТ) на создание и освоение в производстве целого ряда принципиально нового электрооборудования и электросетевых устройств, обеспечивающих повышение надежности и безопасности энергообеспечения глубоких карьеров работ и снижение себестоимости добычи минерального сырья.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Голубев Василий Андреевич - зав. группой электрификации, Институт горного дела Уральского отделения РАН.
Комаров Антон Анатольевич - научный сотрудник, Институт горного дела Уральского отделения РАН. Тархова Наталья Ивановна - научный сотрудник, Институт горного дела Уральского отделения РАН. Башмаков Сергей Николаевич - мл. научный сотрудник, Институт горного дела Уральского отделения РАН.
