CC BY
50
УДК 622:621.3
М.В. Гришин (кандидат технических наук, заведующий лабораторией ОАО «Научный центр ВостНИИ по безопасности работ в горной промышленности»)
Совершенствование требований к контролю изоляции подземных электроустановок
Показана несостоятельность подхода к контролю изоляции подземных электроустановок преимущественно как к средству обеспечения защиты от электропоражения при прикосновении к токоведущим частям.
В основе требований к изоляции должно быть снижение опасности возникновения источника воспламенения метана. В соответствии с этим предложены направления повышения эффективности контроля изоляции.
Ключевые слова: ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ПОДЗЕМНЫХ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК, КОНТРОЛЬ, БЛОКИРОВКА, ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ
В действующих отечественных нормативных документах требования к контролю изоляции подземных электроустановок прежде всего связаны с защитой людей от поражения электрическим током при прикосновении к открытым токоведущим частям. С этой точки зрения, согласно [1], общее время отключения поврежденной сети напряжением до 660 В и контактных сетей не должно превышать 0,2 с, напряжением 1200 В - 0,12 с, а устройства защиты должны иметь такие характеристики (сопротивление и время срабатывания при однофазной утечке на землю), чтобы при прикосновении человека к фазе сети количество электричества через его тело не превышало 50 мКл [2, 3].
По концепции защиты от прикосновения человека к открытым токоведущим частям в 70-80 годах прошлого века разработаны аппараты защиты от токов утечки типа АЗУР, РУ, которые до сих пор серийно выпускаются. Для выполнения защитных функций указанные аппараты имеют компенсацию емкостной составляющей тока утечки при помощи индуктивности дросселя. Компенсация основана на включении между нейтралью сети и землей дросселя, создающего дополнительную индуктивную составляющую тока утечки, которая имеет направление, противоположное емкостной составляющей (рисунок 1).
Що, Щв, ифс - фазные напряжения сети; иа, ив, ис- напряжения фаз сети относительно земли; иы - напряжение смещения нейтрали;
Са, Св, Сс - емкости фаз относительно земли;
Я - активные сопротивления изоляции фаз относительно земли;
Ьк - индуктивность компенсирующего дросселя;
1у, Яу - ток и сопротивление утечки
Рисунок 1 - Схема компенсации емкостной составляющей тока утечки
Теоретически при установившемся процессе емкостный ток утечки можно полностью скомпенсировать при соблюдении равенства емкостного сопротивления сети индуктивному сопротивлению компенсирующего дросселя:
а>(Са+Св + Сс) = 1/юЬк, (1)
где о = 2nf - угловая частота.
Однако в переходном режиме компенсация емкостной составляющей тока утечки не происходит в полной мере. Оценить эффективность компенсации при неустановившемся токе утечки можно по схеме на рисунке 2, полученной из рисунка 1 по методу эквивалентного генератора.
Рисунок 2 - Схема замещения компенсации емкостной составляющей тока утечки
Для расчета тока утечки і на рисунке 2 составим на основе законов Кирхгофа следующую систему дифференциальных уравнений:
зиг.
і=зс.^с
+ -
■ + і
йґ Я Я і + ис = и 8Іп(® ґ + р)
Ь =ис,
* йґ
(2)
где и - амплитуда фазного напряжения.
Аналитический расчет системы уравнений (2) является весьма трудоемким. В связи с этим для оценки переходных процессов были применены численные методы компьютерного моделирования по программе МаШса^
Результаты сравнительных расчетов (рисунок 3) показывают, что при наличии компенсирующего дросселя переходный ток утечки через тело человека в течение 10-15 мс может быть выше, чем без компенсирующего устройства. В начальный момент компенсации не происходит, и в токе утечки появляется свободная составляющая. В ГОСТ 22929-78 [3] это обстоятельство не учитывается, так как кратковременным считается ток, установившийся в течение 0,1 с. Но срабатывание защиты и отключение сети происходит в основном в пределах этого времени.
0 5 10 15 20
1, мс
1 - с применением компенсации;
2 - без применения компенсации
Рисунок 3 - Расчетные зависимости переходного тока утечки г от времени I
Режиму точной компенсации емкостного тока свойственно также появление опасных для изоляции перенапряжений [4]. Эта опасность связана с возможностью возникновения в сети (при некоторой несимметрии ее элементов и отсутствии повреждений) продольного резонанса между индуктивностью компенсирующего дросселя и емкостью сети.
Перенапряжения относительно земли удобно характеризовать напряжением смещения нейтрали и^. Пользуясь известным в электротехнике методом двух узлов, напряжение смещения нейтрали для схемы на рисунке 1 можно выразить зависимостью:
тт гг ] ®(Са + а2 С, + аСс)
им = иф--------------------«------г!--- , (3)
0 С + 0 С + 0 С —
3
К +]
с
0Ьк у
где а = —1/2 + ] V3/2 - фазовый оператор, учитывающий сдвиг фаз.
Отсюда, переходя к абсолютным значениям, кратность перенапряжений равна:
им
кп = —- = 0
п иф ,
с22 + с2 + с 2 —сас, —сас с —с, с,
3 .
X + ]
(
0 Са +0 С, +0 Сс —
1
(4)
04 у
При включении индуктивности дросселя, настроенного на точную компенсацию емкости сети:
1
= 0(Са + С, + Сс ) . (5)
4 0
Напряжение им, включенное в резонансный контур последовательно, создает резонанс напряжений, причем на всех фазах сети при Я=жкратность перенапряжений:
К0 I ^,2 . Г<2 . п2
к = — 4 с: + С 2 + с, с а с в —с,с, —с, с, (6)
может иметь бесконечно большое значение.
В реальных условиях активные сопротивления фаз сети ограничивают перенапряжение. Вместе с тем, перенапряжения до (3-5) иф вполне реальны и могут вызвать пробой изоляции кабелей и электрооборудования.
Таким образом, существующая защита от токов утечки с компенсацией емкости в переходном режиме замыкания не эффективна, а при нормальной работе может вызвать опасные для изоляции перенапряжения.
Однако подход к устройствам контроля изоляции преимущественно как к средству обеспечения защиты от электропоражения вызывает сомнение. Это обстоятельство отмечалось и ранее. Так, в учебнике профессора Озерного М.И. [5] указывается, что «прикосновение человека к токоведущей части шахтного электрооборудования довольно редкий случай и имеет место во время ремонта отключенного аппарата при касании подводящих контактов, находящихся под напряжением», а в работе Ягудаева Б.М. [6] - «в шахтных условиях, благодаря конструктивным мерам в рудничном электрооборудовании, практически исключена возможность захвата проводника с током руками при прикосновении пострадавшего».
Поражение электротоком характерно для поверхностных электроустановок, где имеются неизолированные провода линий передач и открытые шины распредустройств. Шахтное электрооборудование заключено в заземленные проводящие оболочки, а кабели имеют электропроводящие экраны. Поэтому практически маловероятно повреждение изоляции без замыкания на корпус или экран. Даже если человек в нарушение всех правил выведет из строя механическую блокировку и откроет крышку взрывобезопасного корпуса, то возникает не опасность электропоражения, а, как на крупной аварии в ООО «Шахта «Листвяжная» 28.10.2004, открытое искрение контакторов, которое привело к воспламенению метановоздушной среды взрывчатой концентрации с тяжелыми последствиями.
Выполнять защиту от поражения электротоком в расчете на ситуации, когда человек в нарушение всех правил отключит блокировку и откроет оболочку электроустановки, да еще при работающих электродвигателях, наверное, не следует. Защита в этом случае должна обеспечиваться не только применением реле утечки, но и надежным выполнением блокировок, заземления, а главное - повышением дисциплины труда.
Основная опасность применения электрооборудования в шахтах заключается в том, что в случае повреждения изоляции возникает источник воспламенения скоплений метана. Поэтому нередки случаи, когда аварии происходят при исправных, с точки зрения электропоражения, электрических защитах. Регламентированные проверки реле утечки на время срабатывания по критериям защиты человека от прикосновения к открытым токопроводящим частям не устраняют угрозу появления опасной электрической искры.
В связи с этим в основу повышения электробезопасности в условиях шахт должен быть положен надежный контроль состояния изоляции и защиты ее от повреждений. Исходя из этой концепции, необходимо развитие работ в следующих направлениях:
1 Эффективность предварительного контроля изоляции перед подачей напряжения. Проблема состоит в том, что, с одной стороны, источник оперативного напряжения блокировочного реле утечки (БРУ) стремятся сделать искробезопасным с низким выходным напряжением. При этом основным нормативным критерием считается сопротивление изоляции. С другой стороны, достоверная проверка изоляции может быть осуществлена только повышенным напряжением, то есть проверкой электрической прочности изоляции [7]. Особенно это характерно для изоляции электрооборудования напряжением 1 кВ и выше, когда повреждения не всегда определяются даже допущенным в шахту мегомметром на 500 В.
Одним из решений этой проблемы может служить проведение высоковольтного диагностического тестирования, которое применяется в импортном горном электрооборудовании на напряжение 3,3 кВ, например Becker Mining Systems. Тест заключается в кратковременной подаче через высокоомный резистор фазного напряжения. При этом необходим газовый контроль в выработках, в которых расположены электрооборудование и кабели, а в случае срабатывания защиты особое внимание должно быть обращено на места предполагаемого повреждения изоляции кабелей после автоматического отключения.
2 Создание системы автоматизированного контроля системы электроснабжения, при котором оперативная информация о состоянии изоляции позволит принимать нужные решения и предотвращать аварии. Управление осуществляется от диспетчера по оптическим кабелям связи, чем предотвращаются случаи работы с неисправной изоляцией или отключенной защитой. Во многом эта система должна быть построена на принципах системы газового контроля с надежной защитой базы данных.
3 Наиболее опасным элементом шахтной электрической сети, с точки зрения повреждения изоляции, являются силовые кабели. Для обеспечения взрывозащиты шахтных кабелей 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 и невозможности предотвратить опасное искрение при пробоях изоляции, система опережающего отключения развития не получила.
Вместе с тем, изоляция кабеля может быть защищена, если отключение кабеля будет происходить при повреждении его оболочки. Для этого в кабелях зарубежных фирм (йгака, Ргуэтлап) для очистных забоев применяются конструкции с двойным экраном (рисунок 4), где 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. ООО «Камский кабель» готовит к выпуску кабель аналогичной конструкции марки КГРЭБТШ.
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;
4 - внутренняя оболочка (заполнитель)
Рисунок 4 - Кабель с двойным защитным экраном
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.
Основная функция защиты должна состоять в постоянном эффективном контроле сопротивления изоляции сети и предотвращении возникновения опасного искрения. Необходима переработка нормативных требований и создание надежных аппаратов защиты без сложных устройств компенсации емкостных токов утечки, которые могут вызвать опасные, с точки зрения пробоя изоляции, перенапряжения в сети. Защиты, созданные на современной электронной базе, должны обеспечивать постоянный надежный контроль и диагностирование как изоляции электроустановок, так и собственной работоспособности.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ-05-618-03).
2 ГОСТ 22929-78. Аппараты защиты от токов утечки рудничные для сетей напряжением до 1200 В. Общие технические условия.
3 ГОСТ 52273-2004. Устройства защиты от токов утечки рудничные для сетей напряжением до 1200 В. Общие технические требования.
4 Цапенко, Е.Ф. Резонансные перенапряжения в шахтных сетях при компенсации токов утечки / Е.Ф. Цапенко // Промышленная энергетика. - 1998. - № 10. - С. 32-33.
5 Озерной, М.И. Электрооборудование и электроснабжение подземных разработок угольных шахт / М.И. Озерной. - М.: Недра, 1975. - 448 с.
6 Ягудаев, Б.М. Защита от электропоражения в горной промышленности / Б.М. Ягудаев, Н.Ф. Шишкин, В.В. Назаров. - М.: Недра, 1982. - 152 с.
7 Гришин, М.В. Разработка безопасных и эффективных средств определения повреждений изоляции шахтных кабелей импульсным напряжением: автореф. дисс. ... канд. техн. наук / М.В. Гришин. - Кемерово, 1999. - 22 с.
UNDERGROUND POWER EQUIPMENT INSULATION INSPECTION REQUIREMENTS IMPROVEMENT
M.V. Grishin
Inconsistency of such an approach to underground power equipment insulation inspection as mostly to a protection means in case of current-carrying part touch is shown.
The basic requirement should be reduction of methane ignition source initiation. In accordance with it insulation inspection efficiency increase directions are suggested.
Key words: ELECTRICAL SAFETY, ELECTRIC INSULATION OF UNDERGROUND POWER EQUIPMENT, INSPECTION, BLOCKING, DIAGNOSTIC TESTING
Гришин Михаил Викторович e-mail: [email protected]
