CC BY
133
УДК 622:621.315.2 М.В. Гришин
НЦ ВостНИИ
Повышение защищенности шахтных кабелей
Приведена оценка существующих способов защиты шахтных кабелей от повреждений, которые приводят к опасным искрообразованиям. Показано, что повышение защищенности кабеля связано с совершенствованием конструкции самого кабеля и, прежде всего, с более эффективным выполнением электрических экранов и упрочнением оболочки
Анализ аварий на шахтах Кузбасса показывает, что наиболее часто воспламенения мета-новоздушной смеси происходят из-за повреждения силового кабеля. Так, по результатам расследования аварий на шахтах «Антоновская» (15.08.2001), «Алардинская» (11.02.2003), «Октябрьская» (30.06.2003), «Сибирская» (10.01.2004) и наиболее крупной аварии на шахте «Тайжина» (10.04.2004) источником воспламенения метана явилась открытая электрическая дуга в месте повреждения изоляции жилы, которая возникла вследствие предварительного повреждения оболочки кабеля. Причем взрывы происходят и при нормально работающей электрической защите. Реле утечки предотвращает развитие мощного межфазного дугового замыкания. Однако сам кратковременный ток утечки является искроопасным и при открытом разряде может быть достаточным для поджигания слоевого скопления метана.
Для подземного электрооборудования проблема взрывобезопасности в условиях шахт, опасных по газу и пыли, решается путем помещения токоведущих и искрящих частей во взрывобе-зопасную оболочку. В шахтных гибких кабелях устройство взрывобезопасной оболочки практически неприемлемо.
Для обеспечения взрывозащиты при повреждениях шахтных кабельных сетей в 60-80-е годы разрабатывалась система подземного электроснабжения с быстродействующим (опережающим) отключением, которая должна была отключать место повреждения от источников энергии за время, не превышающее 3-5 мс. Ввиду значительной сложности элементов система опережающего отключения развития не получила.
Решение этой проблемы могло бы состоять в создании защитной оболочки гибкого кабеля, объединяющего в себе прочность металла и гибкость резины. Однако, несмотря на развитие химии полимеров, существующие материалы пока еще не достигли достаточного уровня прочности. В связи с этим предлагались технические решения, направленные, прежде всего, на введение в конструкцию кабеля защитных элементов, которые при повреждении его оболочки способны были дать опережающий сигнал на отключение до электрического пробоя изоляции (рисунок 1).
Рисунок 1 - Основные защитные элементы шахтных кабелей
Применение в качестве защитных элементов вспомогательных (контрольных) проводников кабелей отмечено еще в 1930 г., когда английский инженер Чарльтон ввел в конструкцию вспомогательную жилу из малорастяжимого материала, которая разрывалась раньше главного проводника, что вызывало срабатывание реле и отключение электроэнергии. Недостатком данного решения была низкая надежность в работе, обусловленная зависимостью срабатывания от положения кабеля.
В кабелях современных импортных систем для угольных шахт «Promos», «Endis», «Joy» имеются специальные контрольные проводники (pilot), при порыве или замыкании которых происходит отключение электроэнергии. При повреждении и разрыве кабелей эти проводники в некоторых случаях могут выдать опережающий сигнал на отключение.
рктштагнг
Контрольная жила
Рисунок 2 - Кабель с контрольной жилой фирмы «Pirelli»
Большинство отечественных шахтных кабелей, за исключением бронированных, также имеют вспомогательные жилы для цепей управления и контроля. Однако совершенствование кабелей идет в направлении упрочнения вспомогательных жил. Так, в силовых гибких кабелях на напряжение 6 кВ (ТУ16.К73.064-2002) вспомогательная жила выполнена из особо прочного пропилена. Такое решение повышает надежность эксплуатации кабеля, но при этом вспомогательная жила используется только для передачи управляющего сигнала, без выполнения функции защиты самого кабеля.
Следует также отметить, что целостность вспомогательных жил контролируется в блоках управления, а сами цепи управления выполняются обычно искробезопасными. В связи с этим конструкция кабеля должна обеспечивать как надежность вспомогательной жилы при эксплуатационных нагрузках, так и возможность обеспечить опережающий сигнал при повреждениях оболочки кабеля, разрывах, выдергиваниях. Конечно, полностью защитить кабель только при помощи вспо-
могательной жилы невозможно, но во многих случаях она способна предотвратить развитие аварии.
При использовании пьезоэлементов в качестве средств защиты силовые жилы кабеля покрывают шланговой оболочкой, на которой располагаются пьезоэлементы с распределенными параметрами. К защитным элементам, соединенным последовательно, подключают устройство защиты. На элементы накладывают еще одну шланговую оболочку. Под действием раздавливающих усилий возникает э.д.с., достаточная для срабатывания устройств защиты. Основное преимущество кабелей с пьезоэлементами - возможность настройки на заданный предел срабатывания при изгибах кабеля. К их недостаткам следует отнести ложные срабатывания, а также зависимость выходного параметра от колебаний температуры.
Применение световодов позволяет настраивать устройства защиты на заданную величину раздавливающих усилий, обеспечивает высокую устойчивость против циклических нагрузок и самовосстановление после снятия нагрузки при условии, что кабель остается неповрежденным. Недостатком является значительная сложность контролирующей аппаратуры.
Частичную защиту кабеля можно обеспечить путем ввода его в дополнительные оболочки. Например, для угледобывающих машин, работающих в забоях на наклонных и крутых пластах, в НЦ ВостНИИ разработано устройство механической защиты кабелей, включающее звенья с закрытым по периметру каналом для свободно укладываемого кабеля и шланга, канат и разъемные зажимы, с помощью которых звенья закреплены на этом канате независимо друг от друга. Благодаря этому, комбайновый кабель защищен от механических ударов, истирания и полностью разгружен от растяжения.
Рассмотренные способы защиты достаточно трудоемки для практического осуществления или обеспечивают только частичную защиту, поэтому в дальнейшем основным направлением исследований стало совершенствование конструкции электрических экранов кабелей (рисунок 3).
Рисунок 3 - Классификация электрических экранов шахтных кабелей
Металлические экраны в шахтных кабелях обычно выполняют в виде оплетки из медных (обычно луженых) проволок. Сопротивление таких экранов по сравнению с экранами из электропроводящей резины несравнимо меньше, что обеспечивает более надежное срабатывание защиты от токов утечки. Однако металлические экраны имеют существенный недостаток, связанный с тем, что проволоки оплетки склонны к механическим разрушениям под действием частых перегибов.
Для повышения прочности металлических экранов в новых конструкциях кабелей широко применяются синтетические нити из полиэфирных материалов.
Комбинированный экран в виде оплетки из медных луженых проволок в одном направлении и синтетических нитей в другом исключает трение проволок друг о друга, как это происходит в обычной металлической оплетке. Кроме того, наложение поверх экрана разделительного слоя из синтетической пленки предотвращает приваривание проволок экрана к резиновой оболочке и обеспечивает достаточно свободное перемещение при изгибе и кручении кабеля. Существенное влияние на долговечность экрана оказывает и угол наложения проволок при их намотке в одну сторону, который по результатам испытаний ОАО «НИКИ г. Томск» [1] должен быть не более 50°.
Конструкции комбинированных экранов в виде оплетки из чередующихся медных луженых проволок и синтетических нитей применены в новых кабелях марок КГЭкШ (ОАО «НИКИ г. Томск») и КГТЭШ (ОАО «Камкабель») на напряжение 3,3 кВ, которые показаны на рисунке 4.
8314579 2679 10 11 12
I - основные токопроводящие жилы; 2 - вспомогательные токопроводящие жилы; 3 - жила заземления; 4 - разделительный слой из синтетической пленки; 5 - изоляция основных жил из теплостойкой резины; 6 - изоляция вспомогательных жил из резины; 7 - разделительный слой из синтетической пленки; 8 - сердечник из синтетических нитей в резиновой оболочке; 9 - комбинированные экраны в виде оплетки из медных луженых проволок и синтетической нити; 10 - разделительный слой из синтетической пленки;
II - внутренняя оболочка из резины; 12 - наружная оболочка из резины, не распространяющей горение
Рисунок 4 - Кабель с комбинированными экранами
Кроме того, что металлические экраны имеют низкую механическую прочность, ремонт кабеля с такими экранами весьма сложен и дорог. В связи с этим еще в 1946 г. на одной из английских шахт был впервые применен гибкий кабель с экраном из проводящей резины. Экраны из проводящей, точнее полупроводящей, резины лишены многих недостатков металлических экранов и в настоящее время получили широкое применение в шахтных гибких кабелях.
Проводящая резина для экранов изготавливается путем введения в нее углеводородной сажи и графита [2]. При этом установлено, что основными характеристиками сажи, от которых зависит электропроводность резины, являются дисперсность и способность сажи образовывать вторичные структуры (цепочки из первичных сажевых частиц) и количество содержащихся в саже летучих. С повышением дисперсности и увеличением вторичной структуры сажи электропроводность резины возрастает. Летучие вещества, наоборот, образуя на поверхности сажевых частиц изолирующий слой, снижают электропроводность. Удаление из сажи летучих сопровождается резким снижением удельного объемного сопротивления.
Лучшими характеристиками по проводимости обладают резины на основе каучуков - натурального, хлоропренового и нитрильного с содержанием нитрила акриловой кислоты около 40 %.
Сложность применения полупроводящей резины в шахтных кабелях заключается в том, что она должна проводить токи сравнительно большой величины и иметь высокие механические характеристики. В качестве токопроводящих элементов чаще всего используется коллоидальный графит.
Полупроводящая резина имеет нестабильную электрическую проводимость, которая изменяется при механической усталости, тепловом старении и особенно под воздействием температуры. Когда по полупроводящей резине протекает ток, резина нагревается, и в результате этого снижается ее сопротивление, еще более усиливая нагрев. В отношении нагрева к полупроводящей резине предъявляются требования, чтобы она была однородной по всему объему и обладала незначительной температурной зависимостью.
Вместе с тем, проведенные в НЦ ВостНИИ исследования показали: опасение, что экраны из электропроводящей резины значительно снизят токи замыкания на землю по сравнению с металлическим замыканием, не подтвердились. В проведенных опытах было установлено, что за время 0,5-0,7с, необходимое для работы защиты, сопротивление экранов из электропроводящей резины снижалось. Этот процесс происходил за счет деструкции материала экрана при его термическом разложении и образовании дополнительных токопроводящих цепочек.
Для надежного срабатывания защит от токов замыканий на землю (или утечки) сопротивление электрических экранов гибких кабелей, измеренное в соответствии с литературой [3], должно составлять:
- для кабелей напряжением до 3,3 кВ - не более 1500 Ом;
- для кабелей напряжением 6 и 10 кВ - не более 300 Ом.
В некоторых конструкциях зарубежных кабелей (Pirelli, Nexans) применяются конструкции с двойным экраном (рисунок 5). В силовом кабеле для питания передвижных горных машин и трансформаторных подстанций типа PROTOMONT(V) между заполнителем и наружной оболочкой размещен дополнительный изолированный от земли экран в виде концентрической оплетки из медных и стальных проволок, завулканизированных между наружной оболочкой и заполнителем.
3 14 2
1 - внешний экран в виде концентрической оплетки из медных и стальных проволок;
2 - экраны основных жил из токопроводящей резины; 3 - наружная оболочка из специальной полихлорвиниловой смеси 5GM5 wg DIN 0207; 4 - заполнитель Gm1b
Рисунок 5 - Кабель с двойным экраном PROTOMONT(V) фирмы Pirelli
При повреждении наружной оболочки кабеля (передавливание, смятие) происходит замыкание внешнего экрана с заземленными экранами основных жил или жилой заземления. В результате этого срабатывает защитное устройство и снимает напряжение с кабеля до повреждения изоляции основных жил и возникновения короткого замыкания.
Фирма «BENDER» (www.benderrelay.com) выпускает для кабелей с двумя экранами специальные защитные блоки HW103, RM475 (рисунок 6), которые контролируют разрыв жилы заземления кабеля, замыкание внешнего экрана, а также гарантируют опережающее отключение при повреждении оболочки кабеля проникающим телом. Защитные устройства с подобной функцией типа LP-2000 выпускает и фирма «Line Power» (www.linepower.com).
Рисунок 6 - Схема устройства контроля типа RM475 фирмы «BENDER» для кабелей
с двумя экранами
Существенное повышение механической прочности кабеля может быть достигнуто за счет включения в оболочку гибкого кабеля стальной однопроволочной спирали, как это выполнено в новом кабеле марки КГЭБУШ ОАО «Донбасскабель» (рисунок 7).
При размещении спирали внутри оболочки создается монолитная металлополимерная оболочка, за счёт чего существенно увеличиваются взрывобезопасные, электробезопасные и пожаробезопасные свойства кабеля.
Рисунок 7 - Кабель марки КГЭБУШ
Гибкая цилиндрическая броня обеспечивает повышенную стойкость кабеля к раздавливающим, растягивающим механическим усилиям, изгибам с осевым кручением, что способствует увеличению срока службы.
Введение упрочняющих элементов в оболочку кабеля защищает все жилы кабеля от воздействия дополнительных изгибающих, крутящих усилий и выпучиваний отдельных жил, возникающих в других кабелях при движении их через вращающиеся блоки и в траках кабелеукладчика. Гибкая броня выполняет еще и функцию дополнительной заземляющей жилы, закрывающей собой все токоведущие жилы кабеля.
Кроме того, существенно повышает безопасность эксплуатации кабеля окраска его оболочки в яркие (желтые, оранжевые) цвета, а также нанесение на кабель светоотражающих полосок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Дмитреевский, В.С. Высоковольтные гибкие кабели / В.С. Дмитреевский, Д.Д. Румянцев. -М.: Энергия, 1974. - 176 с.
2 Резина для производства гибких кабелей. - Томск, 1982. - 268 с.
3 ГОСТ 17492-89. Кабели гибкие экранированные. Метод измерения электрического сопротивления экранов.
