Page 1

Маренич К.Н., Калинин В.В., Товстик Ю.В., Лизан И.Я., Коломиец В.В.

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Учебник для студентов высших учебных заведений


ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

К.Н. Маренич, В.В. Калинин, Ю.В. Товстик, И.Я. Лизан, В.В. Коломиец

ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Рекомендовано Учёным советом Донецкого национального технического университета в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений

Издание приурочено к 95-летию Донецкого национального технического университета

Донецк ООО «Технопарк ДонГТУ «УНИТЕХ» 2015 1


УДК 622.012.7 ББК 34.7 М 25 Рекомендовано Учёным советом ГВУЗ "Донецкий национальный технический университет" (г. Донецк) в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, протокол №6 от 04.09.2015 г. Авторы (сведения по состоянию на 2009 г.): Маренич Константин Николаевич заведующий кафедрой «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» ДонНТУ, кандидат технических наук, доцент; Калинин Валентин Васильевич, доцент, кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» ДонНТУ, кандидат технических наук, доцент; Товстик Юрий Васильевич, заведующий лабораторией отдела электрооборудования Государственного Макеевского НИИ по безопасности работ в горной промышленности, доцент кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» ДонНТУ, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, доцент; Лизан Игорь Ярославович, доцент кафедры «Электромеханические системы» электротехнологического факультета (г. Артёмовск) Украинской инженерно-педагогической академии (г. Харьков), кандидат технических наук, европейский инженер-педагог; Коломиец Валерий Витальевич, декан электротехнологического факультета (г. Артёмовск) Украинской инженерно-педагогической академии (г. Харьков), кандидат технических наук, доцент. Рецензенты (сведения по состоянию на 2009 г.): Шкрабец Ф.П. – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электрических машин Национального горного университета (г. Днепропетровск); Кузнецов Б.И. – доктор технических наук, профессор, заведующий отделом проблем управления магнитным полем Научно-технического центра магнетизма технических объектов (г. Харьков) НАН Украины; Коптиков В.П. – доктор технических наук, профессор, заместитель директора Государственного Макеевского НИИ по безопасности работ в горной промышленности (г. Макеевка) Электрооборудование технологических установок горных предприятий М 25 Учебник для студ. высш. учебн. завед. / К.Н. Маренич, В.В. Калинин, Ю.В. Товстик, И.Я. Лизан, В.В. Коломиец. – Донецк: ООО «Технопарк ДонГТУ «УНИТЕХ», 2015. – 271 с. Данное издание является авторским переводом (профессор К.Н. Маренич) на русский язык учебника: Електрообладнання технологічних установок гірничих підприємств/ Маренич К.М., Калінін В.В., Товстик Ю.В., Лізан І.Я, Коломієць В.В. – Донецк-Харьков: ДонНТУ, УИПА, 2009, рекомендованного Министерством образования и науки Украины (письмо №1/11-5544 от 16.07.2009 г.). В учебнике изложены основные положения относительно применения электрооборудования, вопросы электробезопасности и средств защиты, а также вопросы относительно проектирования, расчёта и выбора электрооборудования для предприятий с особо опасными условиями труда. УДК 622.012.7 ISBN 978-966-8248-63-4

© К.Н. Маренич, В.В. Калинин, Ю.В. Товстик, И.Я. Лизан, В.В. Коломиец, 2015 2


СОДЕРЖАНИЕ Предисловие ......................................................................................... 6 Раздел 1 Основные положения по применению электрооборудования ....................................................... 8 1.1 Опасности, связанные с применением электрооборудования ... 8 1.2 Нормативная документация по применению электрооборудования .................................................................... 12 1.3 Классификация электроустановок и электрооборудования....... 15 1.4 Предупреждение взрывов от электрического тока ..................... 20 1.5 Предупреждение пожаров от электрического тока .................... 24 Раздел 2 Защита человека от поражения электрическим током.................................................................................... 29 2.1 Общие сведения ............................................................................. 29 2.2 Действие электрического тока на организм человека ................ 31 2.3 Условия поражения человека электрическим током при касании к токоведущим частям ............................................. 34 2.4 Влияние состояния изоляции на безопасность и надёжность эксплуатации электрооборудования ............................................ 40 2.5 Защитное шунтирование на землю повреждённой фазы ........... 45 2.6 Защита от утечек тока на землю ................................................... 47 2.7 Защита от утечек тока на землю в системах электроснабжения с частотным управлением электроприводами горных машин ................................................ 60 2.8 Защита от утечек тока на землю в электросети с выпрямителями............................................................................ 71 2.9 Условия поражения человека током при касании нетоковедущих элементов электроустановок ............................. 73 2.10 Устройство защитного заземления на поверхности ................. 81 2.11 Устройство заземления в подземных выработках .................... 85 2.12 Защитное зануление ..................................................................... 87 Раздел 3 Средства защиты от аварийных и ненормальних режимов работы электроустановок ............................... 96 3.1 Аварийные и ненормальные режимы работы электрооборудования..................................................................... 96 3.2 Требования к устройствам защиты .............................................. 98 3.3 Особенности процесса короткого замыкания ............................. 102 3.4 Защита от токов короткого замыкания ........................................ 108 3


3.5 Максимальная токовая защита рудничних низковольтных аппаратов ....................................................................................... 115 3.6 Дифференциальная токовая защита ............................................. 119 3.7 Температурная защита электрооборудования ............................. 121 3.8 Защита от самопроизвольного включения машин и механизмов .................................................................................. 124 3.9 Защита от токовой перегрузки ...................................................... 127 3.10 Устройства защитного отключения электродвигателя при стопорении ............................................................................ 132 Раздел 4 Компоновка и электрооборудование подстанций и распределительных устройств на поверхности шахт ........................................................ 136 4.1 Типы подстанций и распределительных устройств.................... 136 4.2 Система сборных шин ................................................................... 140 4.3 Реакторы ......................................................................................... 146 4.4 Защита от перенапряжений ........................................................... 149 Раздел 5 Взрывозащита рудничного электрооборудования ..... 160 5.1 Уровни взрывозащиты электрооборудования ............................. 160 5.2 Виды взрывозащиты электрооборудования ................................ 164 5.3 Область применения электрооборудования ................................ 182 Раздел 6 Трансформаторы и комплектные трансформаторные подстанции ..................................... 185 6.1 Общие положения .......................................................................... 185 6.2 Трансформаторы и комплектные трансформаторные подстанции для электроустановок поверхности ......................... 187 6.3 Рудничные взрывобезопасные трансформаторы и КТП ............ 189 Раздел 7. Коммутационные аппараты .......................................... 197 7.1 Основные понятия и определения ................................................ 197 7.2 Автоматические выключатели...................................................... 202 7.3 Разъединители и выключатели нагрузки ..................................... 206 7.4 Выключатели высокого напряжения............................................ 208 7.5 Комплектные распределительные устройства (КРУ) общего назначения ......................................................................... 214 7.6 Взрывозащищённые комплектные распределительные устройства ....................................................................................... 217 7.7 Контакторы ..................................................................................... 222 7.8 Магнитные пускатели .................................................................... 227 7.9 Станции управления ...................................................................... 236 7.10 Устройства плавного пуска асинхронных двигателей ............. 239 4


7.11 Устройства управления двухскоростными двигателями ......... 241 7.12 Комплектные распределительные устройства участковых трансформаторных подстанций .................................................. 243 Раздел 8 Шахтные кабели ............................................................... 247 8.1 Общие сведения ............................................................................. 247 8.2 Бронированные кабели .................................................................. 251 8.3 Гибкие и особо гибкие кабели ...................................................... 253 8.4 Присоединение и соединение кабелей ......................................... 256 ПРИЛОЖЕНИЯ ................................................................................... 261 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................... 267

5


ПРЕДИСЛОВИЕ Условием эффективной работы предприятий угольной промышленности является широкое применение электромеханических комплексов технологических установок шахт. Важное место в этом занимает автоматизация горно-технологических процессов. Именно применение технических средств автоматизации способствует улучшению условий и повышению уровня безопасности труда, увеличению его производительности. Таким образом, автоматизация горнотехнологических процессов является одним из важнейших факторов обеспечения высоких показателей добычи угля – важнейшего энергетического ресурса государства. Решение задач автоматизации технологических процессов в значительной степени определяется качеством подготовки специалистов в области разработки и эксплуатации средств промышленной автоматизации. В подавляющем большинстве функции автоматического контроля и управления касаются электрических аппаратов и электротехнических комплексов – силового электрооборудования технологических машин и установок промышленных предприятий. Поэтому специалист в области автоматизации горно-технологических процессов должен быть хорошо осведомлён в вопросах построения и применения силового электрооборудования технологических установок шахт, других родственных энергоёмких производств. Это тем бóлее важно, поскольку речь идёт о безопасной и эффективной эксплуатации рудничного электрооборудования в потенциально опасных условиях горных предприятий. Учитывая это, в учебнике особое внимание уделено освещению вопросов обеспечения взрывозащиты рудничного электрооборудования, защиты персонала предприятия от электропоражения при эксплуатации силовых электрических аппаратов и устройств в условиях шахты. В учебнике содержится актуальная научно-техническая информация относительно рудничного электрооборудования как применяемого в промышленности, так и его перспективных разработок отечественных и ведущих зарубежных производителей. Всё это создаёт возможность формирования у студентов системы знаний по теории электроснабжения горных предприятий и особенностей устройства и применения рудничного электрооборудования. Подготовка учебника основана на многолетнем опыте преподавания учебных дисциплин по изучению к общепромышленного и 6


рудничного электрооборудования преподавателями кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» (К.Н. Маренич, В.В. Калинин, Ю.В. Товстик) Донецкого национального технического университета (ДонНТУ, г. Донецк) и электротехнического факультета* (И.Я. Лизан, В.В. Коломиец) Украинской инженернопедагогической академии при подготовке специалистов по направлению «Автоматизация и компьютерно-интегрированные технологии». Раздел 2.6 учебника подготовлен к.т.н., доцентом Дубининым Сергеем Васильевичем **(ДонНТУ).

_____________________ * - сведения по состоянию на 2009 г. – год издания базовой версии данного учебника; ** - с 2014 г. – доцент Белорусского национального технического университета 7


РАЗДЕЛ 1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Учебной целью раздела является рассмотрение особенностей опасных состояний, являющихся специфическими при эксплуатации электроэнергетического оборудования. Результатом освоения студентами материала раздела является умение классифицировать электроустановки и электропомещения в соответствии со спецификой их эксплуатации, знание принципов предупреждения взрывов метано-воздушной смеси и пожаров на горных предприятиях вследствие возникновения аварийных состояний электрооборудования. 1.1 ОПАСНОСТИ, СВЯЗАННЫЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Применение электрооборудования сопряжено с опасностями: поражения человека электрическим током, взрыва газовых, пылевоздушных смесей (при достаточной их концентрации), пожара (вследствие воспламенения горючих материалов). К опасностям от применения электрооборудования следует отнести также механическое травмирование людей при внезапном непредвиденном включении машин и механизмов из-за повреждения цепей управления силовыми коммутационными аппаратами. В условиях ведения подземных горных работ степень и последствия опасностей, связанных с эксплуатацией рудничных электроустановок существенно повышаются. Это требует создания более безопасного электрооборудования и систем электроснабжения. Опасность взрыва обусловлена тем, что электрооборудование размещается в выработках с высокой вероятностью образования взрывоопасных концентраций метана либо угольной пыли в воздухе. Большую опасность представляют пожары в шахтах. Значительная протяжённость кабельных линий в выработках с интенсивной вентиляцией и отсутствие постоянного надзора за каждой подземной электроустановкой, состоянием кабельных сетей способствует быстрому развитию пожара. Возникает опасность обрушения выработок вследствие выгорания деревянных элементов крепи, смертельного отравления персонала угарным газом. 8


Опасность поражения человека электрическим током в шахте обусловлена стеснённостью пространства, сыростью, агрессивностью окружающей среды, интенсивной запылённостью. Насыщение рудничного воздуха агрессивной влагой затрудняет поддержание хорошего состояния изоляции электроустановок. В этих условиях повышены вероятность контакта человека с их элементами, находящимися под напряжением и тяжесть последствий электротравмы. Опасность электротравматизма усугубляется переводом электроприводов технологических установок шахты на более высокие уровни напряжений в связи с повышением мощностей горных машин. Повышенная опасность применения электрооборудования в шахте обусловлена специфическими условиями и режимами работы машин и электроустановок. К важнейшим факторам, оказывающим влияние на безопасность применения электрооборудования, относят следующие [1, 2, 3, 4]. 1. Высокая вероятность образования взрывоопасной атмосферы (метана в смеси с воздухом, взвешенной в воздухе угольной пыли) происходит при нарушении режима проветривания выработок. Интенсивно концентрация метана нарастает при внезапных выбросах угла и газа, суфлярных выделениях и ведении взрывных работ. 2. Ограниченность пространства, обусловленная размерами горных выработок, приводит к созданию условий массового соприкосновения людей с оболочками электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением вследствие повреждения изоляции и, следовательно, повышению опасности поражения человека электрическим током. Вследствие ограниченности пространства вблизи мест компактного расположения электрооборудования могут находиться горючие материалы: уголь, деревянная крепь и т.п., что повышает пожароопасность. При установке электрооборудования в выработках с ограниченным пространством существует вероятность его повреждения рабочими органами горных и транспортных машин, либо вследствие обрушений кровли, боковых пород. 3. Факторы внешней окружающей среды: • высокая относительная влажность, достигающая 100 % при температуре воздуха +40°С, наличие капежа и сильная обводнённость горных выработок; • большая химическая агрессивность шахтной атмосферы, содержащей окислы серы и азота, сероводород, углекислый газ и воды, имеющей естественную кислотную или щелочную реакцию; 9


• высокая запылённость воздуха, приводящая к оседанию пыли на оболочках электрооборудования и проникновение ее внутрь оболочек. Эти факторы вызывают повышенный нагрев электрооборудования, ускоренное старение изоляции, смазочных и резиновых материалов, коррозию металлических частей. Вследствие влияния указанных факторов снижается сопротивляемость организма человека действию электрического тока. 4. Постоянное или периодическое перемещение или передвижение машин и электроустановок, обусловленное технологией ведения горных работ, приводит к значительным механическим воздействиям на объекты электрооборудования, необходимости их многократного монтажа и демонтажа в стеснённых подземных условиях, что снижает ресурс последних. 5. Повышенные вибрационные или ударные нагрузки (при доставке или жёсткой стыковке электрооборудования с корпусами горных машин) вызывают отказы различных элементов электроустановок, ослабление затяжки креплений их силовых шин. 6. Влияние биологических факторов. При высокой температуре и влажности на изоляции и металлических частях электрооборудования возможно образование плесени, грибков и т.д., снижающих его надёжность и безопасные свойства. 7. Плохая освещённость работ затрудняет выполнение качественного монтажа и ремонта электрооборудования, надлежащего надзора за его работой. 8. Специфические условия трудовой деятельности горнорабочих связаны с физическими перегрузками, наличием личного снаряжения, требуемого по условиям безопасности, обусловливают необходимость выполнения работ в позах, неестественных для человека (лежа или на коленях). Это приводит к нарушению точности, замедлению движений, ослаблению внимания к опасностям. 9. Непрерывная работа установок, обеспечивающих безопасные условия труда в шахте (вентиляторные, водоотливные и подъёмные установки, а также подстанции и распределительные пункты, от которых они питаются). Безопасность эксплуатации электроустановок на шахтах обеспечивают соответствующими техническими решениями их конструкций, высоким качеством изоляции (в соответствии с нормативными документами), квалифицированным монтажом, обслуживанием, ре10


монтом и эксплуатацией [5, 6, 7]. В электроустановках, как на поверхности, так и в шахте применяют следующие общие организационные и технические защитные меры. 1. Обеспечение недоступности, исключение случайного прикосновения к токоведущим и нетоковедущим частям электрооборудования. 2. Размещение электрооборудования во взрыво- и пожаробезопасных помещениях и камерах. 3. Защита электрооборудования от механических повреждений и воздействия агрессивной атмосферы. 4. Применение пониженного напряжения в электрооборудовании, с которым часто соприкасается человек (ручной электроинструмент; цепей дистанционного управления пускателями; цепи сигнализации, автоматики, и т.п.). 5. Применение высококачественной изоляции токоведущих частей и изолирование участков корпусов электрооборудования, с которыми человек соприкасается в процессе работы (рукоятки электроаппаратов; тыльные части ручных электросвёрл). 6. Контроль и профилактика повреждений изоляции. 7. Обособленное (раздельное) питание электросетей. 8. Компенсация ёмкостного тока замыкания на землю. 9. Защитные заземление и зануление электроустановок. 10. Применение средств защитного отключения от аварийных и ненормальных режимов работы электрооборудования. 11. Осуществление организационно-технических мероприятий при выполнении работ в электроустановках: допуск к работе лиц прошедших специальное обучение и стажировку на рабочем месте и имеющих соответствующую квалификационную группу по технике безопасности; определённый порядок выполнения работ в электроустановках (по нарядам, устным распоряжениям, в порядке текущей эксплуатации); применение индивидуальных средств защиты (изоляционных штанг, указателей напряжения, диэлектрических перчаток, подставок, ковриков и т.д.). Специфические условия эксплуатации обусловили применение специального рудничного электрооборудования, обеспечивающего электро- и пожаробезопасность, а в выработках, опасных по газу или пыли, - требуемый уровень взрывозащиты.

11


1.2 НОРМАТИВНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Задачи обеспечения высокопроизводительной, надёжной и безопасной работы электроустановок при их эксплуатации требуют системного, комплексного подхода к решению взаимосвязанных задач по выбору, размещению и взаимодействию оборудования на стадиях проектирования, монтажа, наладки, технического обслуживания, ремонта и эксплуатации. Для решения этих вопросов имеется система правил, норм и положений, приводимых в нормативной документации. Она подразделяется на общеотраслевую и отраслевую. Требования общеотраслевых нормативных документов обязательны к применению во всех электроустановках на поверхности горных предприятий, а в подземных выработках, - если требования этих документов не противоречат отраслевым правилам. Кроме этих документов на предприятиях разрабатывают инструкции и положения с учётом условий и возможностей конкретного предприятия. Они уточняют, расширяют и конкретизируют требования нормативных документов применительно к определённым установкам и видам выполняемых работ. Ниже приведена характеристика основных нормативных документов. Правила устройства электроустановок (ПУЭ). В этих правилах приведены термины, определения и классификация электроустановок и электроприёмников. В ПУЭ подробно изложены требования по выбору, области применения и устройству электропроводок, токопроводов, кабельных и воздушных линий электропередачи, распределительных устройств и подстанций, устройств защиты и автоматики, электросиловых установок и электрического освещения, а также специальных электроустановок, в том числе, во взрыво- и пожароопасных зонах. Для всего основного электрооборудования установлены объем, виды и нормы приёмосдаточных испытаний, порядок проведения и оформления результатов испытаний. Строительные нормы и правила СНиП устанавливают основные требования к организации, проектированию, производству и приёмке строительных и монтажных работ. Кроме этого (СНиП 3.05.06-85 «Электротехнические устройства»), в них приведены основные положения по хранению электрооборудования, подготовке и сдаче объектов под монтаж, распределению работ между электромонтажными и другими специализированными организациями, порядку выполне12


ния электромонтажных работ, передаче электрооборудования под наладку и представлению документации к приёму рабочей комиссией. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭ) определяют: задачи и обязанности персонала по эксплуатации электроустановок и требования к нему, порядок выполнения работ при эксплуатации и ремонте электрооборудования общего назначения и специальных электроустановок, сроки, объёмы и нормы испытания электрооборудования, находящегося в эксплуатации. Правила безопасной эксплуатации электроустановок потребителей (ДНАОП 0.00-1.21-98) устанавливают: требования безопасного оперативного обслуживания и производства работ в электроустановках; порядок выполнения организационных и технических мероприятий; правила техники безопасности при обслуживании электродвигателей, коммутационных аппаратов комплектных распределительных устройств, линий электропередачи, проведении испытаний оборудования и измерений и др. Специфические особенности функционирования электрооборудования в горных выработках, учитываются и регламентируются Правилами безопасности (ПБ) и Правилами технической эксплуатации угольных шахт (ПТЭУ). Эксплуатационные документы предназначены для изучения изделия и правил его эксплуатации. Они рассчитаны на обслуживающий персонал, имеющий специальную подготовку. Как правило, эксплуатационные документы включают: техническое описание (ТО), инструкцию по эксплуатации (ИЭ), инструкцию по техническому обслуживанию (ИО), инструкцию по монтажу, пуску, регулированию и обкатке изделия на месте его применения (ИМ), формуляр (ФО), паспорт (ПС), ведомости запасных частей, инструментов и приспособлений (ЗП). Ремонтные документы – это рабочие конструкторские документы для подготовки ремонтного производства, ремонта и контроля изделия после ремонта. Они составляются раздельно на текущий, средний и капитальный ремонты. В них могут быть включены правила и указания по устранению аварийных повреждений. Проекты систем электроснабжения и электроустановок. Основная цель разработки таких проектов – обеспечение бесперебойной, высокопроизводительной, надежной и безопасной их эксплуатации. В этих проектах решаются вопросы, связанные с рациональным выбором и размещением электрооборудования, функциональным по13


строением систем с учетом монтажно-технологических особенностей и условий эксплуатации. Документацию выполняют в соответствии с требованиями «Инструкции по проектированию электроустановок шахт, разрезов и обогатительных фабрик ВСН 12.25.003-81». Приемосдаточная и эксплуатационная документация. Смонтированное электрооборудование должно быть полностью подготовлено к нормальной эксплуатации и в дальнейшем обеспечивать его надежную работу. С этой целью при монтаже производят: пооперационный контроль качества выполненных работ; подготовку, регулировку, наладку и испытание электрооборудования; выполнение внесенных предложений по улучшению работы электроустановок во время эксплуатации. Возможная корректировка технической документации должна быть согласована с проектной организацией. Вновь вводимое электрооборудование испытывают в соответствии с главой 1.8 ПУЭ, требованиями отраслевых нормативных документов, а также заводскими и монтажными инструкциями. Все измерения, испытания и опробования, производимые при монтаже и наладке оформляют соответствующими актами и протоколами в соответствии со СНиП 3.05.06-85 и отраслевыми правилами и нормами. Смонтированное электрооборудование сдают приемочной комиссии, которой представляют: утвержденную проектную документацию и комплект рабочих чертежей и исполнительных схем электротехнической части с внесенными в них изменениями; комплект заводской документации (паспорта, протоколы заводских испытаний, эксплуатационные документы и др.); акты и протоколы по строительным работам, связанным с монтажом электротехнических устройств; акты и протоколы по электромонтажным и наладочным работам. Эксплуатацию и текущий ремонт электрооборудования выполняет специально обученный оперативный и ремонтный электротехнический персонал. Все оперативные переключения и иные изменения, обусловленные особенностями эксплуатации, состояние электрооборудования отражают в эксплуатационных документах. Формы и порядок их ведения регламентирован нормативными документами по эксплуатации электроустановок. Своевременное и чёткое ведение эксплуатационной документации, обстоятельный анализ и обобщение данных, приводимых в ней, позволяет вести целенаправленную работу по повышению эффектив14


ности эксплуатации электрооборудования, совершению системы его технического обслуживания и ремонта. 1.3 КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Электроустановки и электропомещения. Условия применения электрооборудования на горных предприятиях отличаются большим разнообразием климатических факторов и степенью электро-, взрыво- и пожароопасности. Для обеспечения высокого уровня безопасности и надёжности применяемое электрооборудование по конструктивному исполнению должно соответствовать условиям его работы. Для выполнения единых требований по устройству электроустановок и электропомещений, установления области применения электрооборудования с определёнными конструктивными особенностями, введена их классификация ГОСТами и другими нормативными документами. По условиям защиты от атмосферных воздействий электроустановки разделяют на открытые (наружные) и закрытые (внутренние). К открытым относят электроустановки, не имеющие защиты от атмосферных воздействуй, к закрытым – электроустановки, размещенные внутри помещений. По условиям электробезопасности их разделяют на электроустановки напряжением до 1000 B (1140 В в угольных шахтах) и выше 1000 В. Требования к устройству, конструкции применяемого электрооборудования дифференцируют в зависимости от уровня (низкого – до 1000 В; высокого – выше 1000 В) напряжения электроустановок. В отношении электроустановок напряжением выше 1000 В предъявляют более высокие требования к квалификации персонала, работающего в них, по выполняемым организационным и техническим мероприятиям. Электропомещения классифицируют по характеру окружающей среды следующим образом. Сухие – с относительной влажностью воздуха, не более 60 %. Влажные – с относительной влажностью воздуха в пределах от 60 до 75 % и конденсирующейся влагой или парами, выделяющимися кратковременно и в небольших количествах. Сырые – с относительной влажностью воздуха, длительно превышающей 75 %. 15


Особо сырые – с относительной влажностью воздуха, близкой к 100 %. Пол, стены, потолок и предметы, находящиеся в таких помещениях, покрыты влагой. Жаркие, в которых температура постоянно или периодически (более 1 сут.) превышает +35 °С. Пыльные, в которых по условиям производства выделяется технологическая пыль в таком количестве, что она может оседать на проводах, проникать внутрь оболочек электрооборудования и т. п. С химически активной или органической средой, в которой постоянно или в течение длительного времени содержатся агрессивные пары, газы, жидкости, образуются отложения или плесень, разрушающие изоляцию и токоведущие части. По опасности поражения людей электрическим током различают помещения: • с повышенной опасностью, в которых отмечается наличие одного из следующих условий: сырость или токопроводящая пыль; токопроводящие полы; высокая температура; возможность одновременного прикосновения человека, с одной стороны - к металлоконструкциям зданий, технологическим аппаратам, механизмам, соединённым с землёй, и, с другой стороны - к металлическим корпусам электрооборудования; • особо опасные, характеризующиеся наличием одного из следующих условий: особая сырость; химически активная или органическая среда; одновременно два или более условий повышенной опасности; • без повышенной опасности, в которых отсутствуют условия, создающие повышенную или особую опасность. Подземные выработки, как правило, характеризуются наличием значительного числа неблагоприятных условий эксплуатации электрооборудования. По степени возможности образования взрывоопасных смесей и требований, предъявляемых к электрооборудованию, взрывоопасные зоны электроустановок разделяют на классы. Взрывоопасная зона может занимать весь объем помещения или только часть его, а также ограниченные пространства в наружных установках, в которых могут быть образованы взрывоопасные смеси. ПУЭ установлены следующие классы взрывоопасных зон. В-I – зоны, расположенные в помещениях, где выделяются газы или пары легковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ), которые могут 16


образовывать с воздухом взрывоопасные смеси при нормальных режимах работы; В-Iа – зоны, в которых образование взрывоопасных газов и паров ЛВЖ возможно только в результате аварий или неисправностей; В-Iб – зоны, отличающиеся от зон класса В-Iа одной из следующих особенностей: горючие газы в них обладают высоким нижним концентрационным пределом воспламенения (15% и более) и резким запахом при предельно допустимых концентрациях; В-Iг – пространство у наружных установок: технологических установок, содержащих горючие газы или ЛВЖ; подземных и надземных резервуаров с ЛВЖ или газами; эстакад для слива и полива ЛВЖ и т.п. Размеры взрывоопасной зоны устанавливаются в пределах 0,5…20 м по горизонтали и вертикали от мест образования взрывоопасных смесей; В-II – зоны, расположенные в помещениях, в которых выделяются переходящие во взвешенное состояние горючие пыли или волокна, способные образовывать с воздухом взрывоопасные смеси в нормальных режимах; В-IIа – зоны, в которых взрывоопасные смеси, пыли или волокна образуются только в результате аварий или неисправностей. К взрывоопасным относят также помещения, отделённые стенами от взрывоопасной зоны, но сами не содержащие взрывоопасных технологического оборудования и материалов. Класс зон таких помещений принимается в соответствии с ПУЭ. В угольных шахтах серьёзную опасность представляют взрывоопасные смеси, содержащие метан или угольную пыль. В зависимости от относительной метанообильности и вида выделения метана шахты разделяют на пять категорий: к I относят шахты с относительной метанообильностью до 5 м3/т добычи, ко II – от 5 до 10 м3/т, к III – от 10 до 15 м3/т, к сверхкатегорийным – более 15 м3/т, а также шахты, опасные по суфлярным выделениям. Шахты, разрабатывающие хотя бы один пласт, опасный или угрожаемый по внезапным выбросам угля или газа, или опасные по выбросам породы относят к опасным по внезапным выбросам. Взрывчатость угольной пыли определяется: составом (при содержании летучих веществ более 10 % она становится взрывчатой); тонкостью (пыль становится взрывоопасной при размере частиц в пределах 0.1…0,0001 мм) и степенью запылённости воздуха (нижний предел взрывчатости взвешенной пыли 17…18 г/м3) [4]. 17


Помещения или наружные установки, в которых периодически или постоянно обращаются, применяются, хранятся или образуются при нормальном технологическом процессе горючие вещества, относят к пожароопасным. Их разделяют по степени опасности на пожароопасные зоны следующих классов: П-I – зоны, в которых обращаются горючие жидкости с температурой вспышки выше 61 °С; П-II – зоны, расположенные в помещениях, в которых выделяются горючие пыли или волокна с нижним концентрационным пределом воспламенения более 65 г/м3 к объёму воздуха; П-IIа – зоны, расположенные в помещениях, содержащих твёрдые горючие вещества; П-III – расположенные вне помещения зоны, содержащие горючие жидкости с температурой вспышки выше 61 °С или твёрдые горючие вещества. Электрооборудование. Для правильного определения области применения электрооборудования необходимо учитывать его климатическое исполнение и возможное место размещения; степень защиты от проникновения твёрдых тел и воды внутрь оболочек, а также исполнение, учитывающее определённые специфические условия эксплуатации. Исполнения электротехнических изделий, определяемые климатическими факторами внешней среды на суше (по месту эксплуатации), согласно ГОСТ 15150-69 имеют следующие обозначения: У (N) .............. Умеренный XЛ(NF) .............. Холодный ТВ(ТН) .............. Влажный тропический ТС(ТА) .............. Сухой тропический O(U) .............. Все климатические районы (общеклиматическое исполнение) В зависимости от мест размещения электротехнические изделия подразделяют на пять укрупнённых категорий: 1 ...........На открытом воздухе; 2 ...........Помещения, где колебания температуры и влажности не существенно отличаются от колебаний на открытом воздухе, имеется свободный доступ наружного воздуха, но отсутствует прямое воздействие солнечной радиации и атмосферных осадков; 3 ..........Закрытые помещения с естественной вентиляцией без искусственно регулируемых климатических условий, где колебания 18


температуры и влажности, действие песка и пыли, солнечной радиации, ветра, атмосферных осадков существенно уменьшены; 4 ...........Помещения с искусственно регулируемыми климатическими условиями, в которых исключается прямое воздействие солнечной радиации, атмосферных осадков, ветра, песка и пыли наружного воздуха; 5 ...........Помещения с повышенной влажностью, в которых возможно длительное наличие воды или частой конденсации влаги, а также подземные выработки шахт; Климатическое исполнение и категорию размещения вводят в условное обозначение типа (марки) изделия, дополнительно после всех обозначений, относящихся к его модификации в виде соответствующих букв и цифр. В соответствии с ГОСТ 14254-80 установлено семь степеней защиты от попадания внутрь оболочки твёрдых тел и девять – от проникновения воды (табл. 1.1). Для обозначения степени защиты электротехнических изделий применяют буквы IP (International Protection), за которыми следует две цифры – первая обозначает степень защиты изделия от попадания внутрь твёрдых тел, вторая от проникновения воды. По исполнению электрооборудование разделяют на: • общего назначения – электрооборудование, выполненное без учёта требований, специфических для определённых условий эксплуатации; • рудничное нормальное – электрооборудование, в котором нет средств взрывозащиты, но предусмотрены меры и все виды защит, обеспечивающие надёжность и безопасность его эксплуатации в подземных выработках шахт и рудников, не опасных в отношении взрыва газа, пара или пыли; • взрывозащищённое – электрооборудование, в конструкции которого предусмотрены технические решения по недопущению воспламенения окружающей взрывоопасной среды вследствие его эксплуатации.

19


Таблица 1.1 – Степени защиты электрооборудования Обозна- Защита от проникновения твёрчение дых тел и соприкосновения перЗащита от проникновения воды степени сонала с токоведущими и вразащиты щающимися частями 1 2 3 0 Специальная защита отсутствует 1 Большого участка поверхности Капель, падающих вертикально человеческого тела, например, руки и твёрдых тел размером более 50 мм 2 Пальцев или предметов длиной Капель при наклоне оболочки до не более 80 мм и твёрдых тел 15° в любом направлении отноразмером более 12 мм сительно нормального положения 3 Инструмента, проволоки и твёр- Дождя, падающего на оболочку дых тел диаметром и толщиной под углом до 60° от вертикали более 2.5 мм 4 Проволоки и твёрдых тел разме- Брызг, попадающих на оболочку ром более 1 мм в любом направлении 5 Пыли, в количестве недостаточ- Струй, выбрасываемых в любом ном для нарушения работы изде- направлении на оболочку лия 6 Пыли полностью (пыленепрони- Волн (вода при волнении не цаемость) должна попадать внутрь) 7 При погружении в воду. При этом вода не должна проникать в оболочку при определённых дав— лении и времени в количестве, достаточном для повреждения изделия 8 При длительном погружении в — воду

1.4 ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ВЗРЫВОВ ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Взрыв – быстрое превращение вещества (взрывное горение), сопровождающееся выделением энергии и образованием сжатых газов, способных производить разрушение. Взрыв может произойти при совпадении во времени и пространстве двух случайных независимых событий: 20


• образование взрывоопасной смеси (метано- или пылевоздушной); • появление опасного источника воспламенения. Образование взрывоопасной среды определяется значительным числом факторов, основными из которых являются: нарушение проветривания, внезапные выбросы угля и газа, суфлярные выделения, слоевые скопления метана, взрывные работы, невыполнение мер по предупреждению образований местных скоплений метана и мероприятий по борьбе с пылью. Взрывоопасность среды зависит от многих факторов, к основным из которых относят: состав рудничной атмосферы; энергия, необходимая для ее поджигания; температура воспламенения смеси; скорость движения воздушного потока; давление и др. Для рудничной пыли, кроме этих факторов, важным является выход летучих на горючую массу. Параметры, характеризующие степень опасности газо- пыле- воздушной смеси приведены в табл. 2.2. Таблица 2.2 – Параметры, характеризующие степень опасности взрывчатой смеси Концентрационный предел Наименование воспламеняемости, %; г /м3 Нижний Верхний Метан 5 15 Пыль 17-18

Минимальная энергия воспламенения, мДж

Минимальная температура воспламенения, °С

0,28 >4,5

650-750 150-700

По статистическим данным [4] источниками взрывов являются: • взрывные работы 37,5 %; • искрообразование от трения рабочих органов машин 18,2 %; • искрообразование в электрооборудовании 15,2 %; • искрообразование в кабелях 8,3 %; • открытый огонь и курение 11,1 %; • прочие причины 9,7 %. Источники воспламенения от электрооборудования и кабелей возникают в следующих случаях: • при размыкании и замыкании контактов электрических аппаратов и реле в нормальном режиме работы; • при разрыве (повреждении) проводников, проводящих электрический ток; 21


• в местах ослабленных электрических контактов как силовой цепи, так и в цепях заземления; • при коротких замыканиях и замыканиях (утечках тока) на землю; • при чрезмерном нагреве электрооборудования. Логико-вероятностная схема воспламенения метана от электрооборудования приведена на рис. 1.1.

Рисунок 1.1 – Логико-вероятностная схема воспламенения метано-воздушной смеси от электрооборудования

В схеме приняты следующие обозначения вероятностей: Qвоспл. – воспламенения взрывоопасной смеси; Qоб.заг. – работы электрооборудования в загазированной среде; Qи.воспл.; Qи.об.; Qи.к.; Qи.з.с; - возникновения источника воспламенения, соответственно, в системе электроснабжения; внутри взрывонепроницаемой оболочки; при повреждении кабеля; в заземляющей сети; Qагз – отказа системы автоматической газовой защиты;

22


Qап. – отказа аппарата, отключающего сеть при воздействии аппарата газовой защиты; Qот.з. – отказа аппарата газовой защиты; Qвзр.об. – нарушения взрывозащиты оболочки; Qи.р. – образования опасных искр или дуг при нормальной работе коммутационных аппаратов; Qнагр. – нагрева токоведущих частей до опасной температуры; Qз. – нарушения контакта в цепи заземления; Qк.з.в.; Qо.в; Qд.в. – возникновения соответственно короткого; однофазного и двойного замыкания на землю во взрывонепроницаемой оболочке и кабеле. Применяя теоремы сложения и умножения вероятностей для приведенной структурно-логической схемы могут быть получены выражения для определения вероятности взрыва, обусловленного искро- дугообразованием, воспламенением в электрооборудовании: Qвоспл. = Qоб.заг. ⋅ Qи.вспл.; Qоб.заг. = Qзаг. ⋅ Qагз = Qзаг.(Qап. + Qот.з.); Qи.воспл. = Qи.об. + Qи.к. + Qи.з.с. = Qвзр.об. (Qи.р. + Qк.з.в.+ Qо.в.+ Qд. в. + + Qнагр.) + (Qк.з.к. + Qо.к. + Qд.к.) + Qз(Qо.в. + Qо.к. + Qд.в. + Qд.к.). Взрыв метана в шахте - весьма грозное явление, приводящее к гибели людей и большому материальному ущербу. Анализируя взаимосвязь событий, формирующих взрыв, следует отметить следующее: • взрыв – событие не неизбежное, а только вероятное (возможное); • взрыв может произойти в результате проявления опасности неизученных или недостаточно изученных явлений (таких, как внезапный выброс, горные удары, нерешённые вопросы проветривания) или в результате неправильных действий людей. В выработках, где не изучено проявление опасностей и нет средств для их предотвращения, применение электрооборудования запрещено (например, на крутых пластах, опасных по внезапным выбросам, при выполнении защитных мероприятий по борьбе с внезапными выбросами и др.); Деятельность человека по обеспечению безопасности эксплуатации электрооборудования носит рациональный, целенаправленный характер, определяется предписаниями нормативных документов 23


(ПБ, ПТЭУ, ГОСТов и др.) и осуществляется в следующих направлениях: • не допускать образования опасных концентраций метана или угольной пыли (достигается интенсивным проветриванием горных выработок); • не допускать опасных источников воспламенения (достигается применением в шахтах специального оборудования и соответствующей организацией его эксплуатации); • исключить совпадение во времени и пространстве образования взрывоопасных смесей и источников их воспламенения (достигается применением средств защиты, реагирующих на изменение рудничной атмосферы и отключающих электрооборудование при определённых концентрациях метана). 1.5 ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ПОЖАРОВ ОТ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА Пожар – неорганизованное и неконтролируемое горение, вне специального очага, в результате которого уничтожаются материальные ценности. Для возникновения пожара необходимо наличие горючих материалов, кислорода и теплового импульса достаточной энергии для нагрева реагирующих веществ до температуры воспламенения. Подготовленность горючей смеси к воспламенению определяется соответствующей концентрацией в ней паров, пыли или газообразных продуктов, способных воспламениться. При выделении газов или паров из веществ выше нижнего концентрационного предела и в результате вспышки при поднесении источника воспламенения образуется тепло, достаточное для выделения новой порции паров или газа и для установления стационарного горения. Воспламенение также возможно и без источника воспламенения. При нагреве горючей смеси возможен процесс самоокисления. Если выделяемое при этом тепло не полностью рассеивается в окружающую среду, смесь подогревается и воспламеняется при температуре самовоспламенения. Так, например, для предотвращения самовоспламенения угольной пыли, температура нагрева электрооборудования не должна превышать 150 °С. Как показывает опыт, основными причинами пожара при применении электроэнергии являются: воспламенение изоляции и горю24


чих материалов электрической дугой при к.з. (действие большого количества тепла, выделяющегося при горении дуги); токи к.з., вызывающие высокую температуру нагрева проводников; плохие контактные соединения силовых цепей; опасная дуга или искра при возникновении токов однофазного замыкания и утечек на землю; многоместные замыкания на землю; воспламенение масла и взрыв его паров при коротких замыканиях в электроустановках, заполненных трансформаторным маслом; нагрев оболочек электрооборудования при неправильном его выборе, нарушении режима охлаждения и перегрузке; огневые и сварочные работы, проводимые с нарушением мер безопасности. Пожарная безопасность обеспечивается: системой предотвращения пожара; системой пожарной защиты. Система предотвращения пожара – комплекс мероприятий и технических средств, направленных на исключение возможности пожара. Согласно ГОСТ 12.1.004 система предотвращения пожара должна быть разработана по каждому конкретному объекту из расчета, что вероятность пожара не должна превышать 10-6 (РП≤10-6). Система пожарной защиты – комплекс мероприятий и технических средств, направленных на предотвращение воздействия на людей опасных факторов пожара и ограничение материального ущерба от него. Мероприятия, направленные на устранение причин пожара, подразделяются на технические, организационные, эксплуатационные и режимные. К техническим мероприятиям относят: соблюдение противопожарных норм при сооружении зданий, электропомещений; недопущение образования в горючей среде (или внесение в неё) источников зажигания; правильный выбор и качественный монтаж электрооборудования; устройство грозозащиты и т.п. Каждое производственное помещение на поверхности шахты относится в соответствии со СНиП, ПУЭ и ПБ к определённой категории или классу по взрывной или пожарной опасности, в соответствии с которыми устанавливают минимально допустимую степень огнестойкости зданий и сооружений, необходимое расстояние между ними и другие нормы противопожарной защиты, исполнение электрооборудования, способы предупреждения опасных скоплений взрыво- и пожароопасных газов и пыли. 25


Мероприятия по предупреждению пожаров в электроустановках должны включать: • применение для электрооборудования негорючих или трудно воспламеняемых материалов; • правильный выбор мощности трансформаторов и электродвигателей, а также сечений токоведущих частей электрооборудования, классов их изоляции по условиям нагрева таким образом, чтобы при нормальных режимах работы температура их нагрева не превышала допустимую, а при аварийных режимах обеспечивалась их термическая стойкость; • локализацию дугообразования на контакторах электрических аппаратов с помощью дугогасительных устройств; • обеспечение надлежащих воздушных зазоров и путей утечки по изоляции между токоведущими частями разных фаз; токоведущими частями и землёй; • заключение токоведущих частей в негорючие корпуса и кожухи, предотвращающие тепловое воздействие на внешнюю среду; • применение защиты от аварийных и ненормальных режимов работы электрооборудования; • размещение электрооборудования в пожаробезопасных камерах и выработках, закреплённых огнестойкой крепью. Эксплуатационные мероприятия предусматривают правильную эксплуатацию технологических машин и электрооборудования, правильное содержание зданий, и электропомещений, а также территорий предприятий. Для предотвращения появления тепловых импульсов электрооборудования нельзя допускать: • работу технологических машин с перегрузкой, частые пуски и опрокидывания электродвигателей; • короткие замыкания и однофазные замыкания, снижение сопротивления изоляции ниже допустимого уровня; • размыкание вручную токопроводящих проводников, находящихся под напряжением и проводящих электрический ток; • ослабление контактных соединений проводников силовой и заземляющей сети; • нарушение режима охлаждения трансформаторов и электродвигателей; • нарушение требований и норм ведения огневых работ.

26


К организационным мероприятиям относят обучение производственного персонала противопожарным правилам, выполнение оперативных переключений и производство работ в электроустановках в соответствии с установленными правилами, издание необходимых инструкций и плакатов. Режимные мероприятия предусматривают ограничение или полное запрещение разведения огня, производства электро- и газосварочных работ, курение в пожароопасных помещениях и др. Надшахтные здания, электропомещения, выработки, электромашинные камеры и др. должны быть обеспечены достаточным количеством огнегасительных средств (пожарные краны, огнетушители, инертная пыль, песок), средств локализации пожара (противопожарные двери, ляды, негорючая крепь, водяные завесы и др.) и необходимым инструментом для тушения пожара. Для тушения электроустановок, находящихся под напряжением нельзя применять воду, т.к. при этом увлажняется почва и одежда людей, что создаёт особо благоприятные условия для их поражения электрическим током. Создаются дополнительные очаги коротких замыканий. Поэтому пожар в электроустановках следует тушить неэлектропроводными средствами (песок, инертная пыль, порошковые огнетушители). Воду нельзя также использовать для тушения легковоспламеняющихся жидкостей (минеральное масло, бензин, керосин и т.п.). Для тушения пожаров ЦПП и РПП-6 применяют автоматическую установку пенного пожаротушения (например, УАП-2), присоединяемую к системе пожаро-оросительного трубопровода. При этом автоматически закрываются противопожарные двери камеры и отключается напряжение. Число и тип огнетушителей, количество песка и инертной пыли, располагаемых в подземных электромашинных камерах, должно соответствовать требованиям ПБ. Для камер, в которых отсутствует постоянный обслуживающий персонал, огнетушители должны быть расположены снаружи камеры, со стороны поступления свежей струи воздуха не далее 10 м от входа в камеру. Для камер с постоянным дежурством – у рабочего места дежурного персонала. При хранении средств пожаротушения в специальных ящиках (ёмкостях) на них должны быть сделаны отличительные надписи: «Огнетушители», «Песок» и т.п. 27


Вопросы для самоконтроля 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

С какими опасностями связано применение электрооборудования? Какие факторы влияют на безопасность применения электрооборудования в шахте? В чем состоит сущность выполнения организационных и технических мероприятий для обеспечения безопасности работ в электроустановках? Какие меры безопасности необходимо осуществлять при применении электрооборудования? Какими нормативными документами регламентируются монтаж, ревизии, ремонт и эксплуатация электрооборудования? Какие требования по применению электрооборудования содержат ПУЭ, СНиП, ПТЭ, ПБЭП, ПБ, ПТЭУ? Для чего необходима классификация электроустановок и электрооборудования? По каким факторам классифицируют электроустановки, электропомещения, электрооборудование? При каких условиях возможны взрывы? По каким причинам происходит загазирование выработок? По каким причинам возникают опасные источники воспламенения газа? В каких направлениях осуществляют работы по предотвращению взрывов? Каковы причины возникновения пожара? Какие меры необходимо осуществлять для предупреждения пожара? Какие средства противопожарной защиты применяют в выработках?

28


РАЗДЕЛ 2 ЗАЩИТА ЧЕЛОВЕКА ОТ ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ Учебными целями раздела являются обретение студентами знаний относительно особенностей действия электрического тока на организм человека, свойств режимов нейтрали электросетей, технических и организационных мер относительно создания условий безопасной эксплуатации электрооборудования в условиях горного предприятия. Результатом освоения студентами материала раздела является умение рассчитывать величину тока, протекающего через человека при его касании к токоведущим элементам участковой электросети шахты, знание принципов построения шахтной заземляющей сети, защитного зануления, устройства и принципов действия шахтных участковых аппаратов защиты от утечек тока на землю. 2.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Развитие угольной промышленности характеризуется непрерывным ростом энерговооруженности горных машин, что ведёт к необходимости применения более высоких напряжений в электрических сетях. Системы электроснабжения насыщаются все более сложным комплексом нового электрооборудования, что существенно усложняет и расширяет задачи обслуживающего персонала. Это приводит к возрастанию влияния отказов электрооборудования и ошибок персонала на безопасность обслуживания. В специфически тяжёлых условиях горного производства, особенно в подземных, эти факторы обусловливают повышенную вероятность поражения людей электрическим током [9]. В угольных шахтах электротравматизм составляет в среднем 1.8 % от общего травматизма. При этом доля электротравм в подземных выработках составляет 66,3 %, а в установках поверхности 33,7 %, что подтверждает специфику более опасных условий применения электрооборудования в подземных выработках. Число несчастных случаев в электроустановках до 1000 В примерно в 4 раза больше (80,9 %), чем в электроустановках выше 1000 В (19,1 %). Это объясняется широкой распространённостью оборудования напряжением до 1000 В. Знание основных причин поражения электрическим током позволяет более глубоко выяснить основные условия электротравматизма и на29


метить пути его предотвращения. Анализ причин электротравматизма показывает, что 92,4 % из них явились следствием прикосновения к токоведущим частям электрооборудования и 7,6 % в результате прикосновения к нетоковедущим частям, случайно оказавшихся под напряжением. Обстоятельства, приводящие к несчастным случаям следующие: прикосновение к голым проводам; прикосновение к оголённым токоведущим жилам кабелей; прикосновение к контактному проводу; работа под напряжением; ошибочная подача напряжения. Большинство электротравм в угольных шахтах происходят вследствие нарушения правил техники безопасности; технической эксплуатации электроустановок; системы допусков и нарядов при обслуживании электроустановок, а так же вследствие невнимательности, ошибочных действий персонала при работе с электроустановками, не использования персоналом индивидуальных средств защиты. Следует отметить, что случаи электропоражения в шахтных сетях напряжением до 1000 В при прикосновении человека к токоведущим частям происходят, как правило, при неисправной или отключенной защите от утечек тока на землю. Требуемый уровень электробезопасности согласно ГОСТ 12.1.019-79 может быть обеспечен: − конструкцией электрооборудования и электроустановок; − техническими способами и средствами защиты; − организационными и техническими мероприятиями; − квалифицированным выполнением монтажа, технического обслуживания, ремонта и эксплуатации электрооборудования. Для обеспечения безопасности применяют отдельно или в сочетании друг с другом следующие технические средства и способы: - изоляция токоведущих частей; - компенсация токов замыкания на землю; - защитное отключение; защитное заземление; защитное зануление; - выравнивание потенциалов; - применение оградительных устройств, предупредительной сигнализации, блокировок, индивидуальных средств защиты. При этом необходимо учитывать: величину номинального напряжения, род и частоту тока; способ электроснабжения; режим нейтрали источника питания; условия внешней среды; характер возможного прикосновения человека к элементам электрооборудования (прикосновение к одной или двум фазам; прикосновение к металлическим нетоковедущим частям). 30


2.2. ДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА Различают два вида поражений электрическим током: электрические травмы и электрический удар. Электрические травмы относят к внешним и представляют собой местные поражения тканей и органов электрическим током: ожоги, электрические знаки и электрометаллизация кожи. Электрический удар наблюдается при воздействии малых токов – обычно до нескольких сотен миллиампер, и, соответственно, при небольших напряжениях (как правило, до 1000 В). Основная опасность действия электрического тока заключается в том, что он раздражает и возбуждает ткани организма, нарушающие закономерное выполнение его жизненных функций [1, 4, 9, 12]. Человек ощущает электрический ток начиная с величины 0.6 мА (рис. 2.1), как характерное «пощипывание», нагрев (1…3 мА). С ростом тока ощущения переходят в болевые (3…8 мА). При этом человек еще способен самостоятельно освободиться от проводника, зажатого в руке (ощутимый отпускающий ток). При величине тока более 10...16 мА его действие усиливается и сопровождается непроизвольным сокращением мышц кисти рук и предплечья. Человек не в состоянии преодолеть судороги мышц и не может самостоятельно освободиться от токоведущих частей (неотпус- Рисунок 2.1 – Зависимость уровня опаскающий ток). Дальнейшее уве- ности от величины тока личение тока приводит к усилению судорожных сокращений мышц, которые распространяются на туловище и грудную клетку. При этом сильно затрудняется дыхание. С увеличением продолжительности воздействия тока, величиной 30...40 мА, это может привести к параличу дыхания. В то же время. длительное воздействие тока ведет к потере сознания. Ток, величиной более 80 мА воздействует на сердечно – сосудистую систему и быстро приводит к фибрилляции сердца (фибрилляционный ток). Фибрилляция сердца заключается в беспорядочном сокращении и 31


расслаблении мышечных волокон сердца. При этом нарушается кровообращение, сердце истощается и останавливается. Как при параличе дыхания, так и при фибрилляции, работа сердца самостоятельно не восстанавливается, что может привести к летальному исходу. Поэтому при поражении человека электрическим током при оказании первой помощи – необходимо выполнение искусственного массажа сердца и дыхания. Следует отметить, что большие токи (5...6 А) фибрилляцию сердца не вызывают, а только поражают дыхание и причиняют сильные ожоги. Постоянный ток действует на организм человека менее интенсивно: при малых токах – это ощущение нагрева кожи, а при больших – ощущение внутреннего нагрева. Лишь в моменты замыкания и размыкания цепи тока человек испытывает кратковременные болевые ощущения из-за внезапного судорожного сокращения мышц. Следовательно, при постоянном напряжении не возникает эффекта «неотпускающего тока». При небольших уровнях напряжения (до 500 В) постоянный ток примерно в 3...5 раз безопаснее переменного. При напряжении 500 В постоянный ток по опасности уже не отличается от переменного, а с увеличением напряжения сети он становится опаснее переменного. Параметры, характеризующие опасность поражения электрическим током. Для оценки опасности электрического тока для человека и инженерного нормирования параметров защиты от электропоражения используют определенные критерии (параметры) [1, 4, 10]. К ним относят: − величину тока, I; − время действия тока на организм человека, t; − напряжение прикосновения, UПР; − сопротивление человека, RЧ. Для обеспечения самостоятельного освобождения человека от действия электрического тока его величина не должна превышать порогового значения неотпускающего тока. Величина этого тока установлена ГОСТ 12.1.038-82 и должна быть не более 6 мА (сеть переменного тока) и 15 мА (сеть постоянного тока). По этим значениям рассчитывают параметры защитного заземления и пороги срабатывания защитного отключения. Продолжительность тока, проходящего через человека, превышающая время кардиоцикла (0.75…1 с), совпадает со всеми фазами работы сердца, в том числе и с наиболее чувствительной фазой Т продолжительностью около 0,1 с (в этот момент желудочки сердца находятся в состоя32


нии расслабления – происходит наполнение их кровью за счёт сокращения предсердий), что весьма опасно для организма. ГОСТ 12.1.038-82 установлена зависимость предельно допустимых уровней напряжения UД и допустимого тока IД от продолжительности его протекания через тело человека (табл. 2.1). Таблица 2.1 – Допустимые значения токов и напряжений в зависимости от продолжительности протекания через тело человека Параметр Ток IД, мА Напряжение UД, В

0,1 500 500

Продолжительность воздействия, с 0,2 0,5 0,7 1 Выше 1 с 250 100 70 50 6 250 100 70 50 42

Для тока эту зависимость в диапазоне времени 0,1…1 с можно выразить формулой:

I Д ⋅ t ≤ 50 мA ⋅ c; Зависимость тока, протекающего через человека (IЧ), от напряжения прикосновения (UПР) рассчитывают по формуле: U I Ч = ПР ; ZЧ где ZЧ – сопротивление человека. Сопротивление тела человека – величина нелинейная, представляющая собой комплекс сопротивлений, состоящий из сопротивления кожи в месте входа и выхода тока, сопротивления внутренних органов и жировой ткани. Сопротивление тела человека представляет собой сочетание активных и ёмкостных со- Рисунок 2.2 – Эквивалентная схема противлений (рис. 2.2). Наибольшим сопротивления человека переменсопротивлением обладает сухой ному току кожный покров R1. Оно может достигать 100000 Ом. Сопротивление внутренних органов ткани R2 не превышает 500…1000 Ом. Ёмкостная проводимость полного сопротивления обусловлена, в основном, ёмкостью кожного покрова С. Ёмкостная со33


ставляющая тела человека незначительна и поэтому, с достаточной для практики точностью сопротивление тела человека можно рассматривать, как чисто активное. Величина сопротивления человека определяется: 1. Техническими параметрами, к которым относят: напряжение, длительность действия тока, род тока, его частоту. 2. Производственными факторами: влажность, обводнённость, запылённость, загрязнённость, трудоёмкость выполнения работ. 3. Физиологическими особенностями: возраст, пол, психическое и моральное состояние, масса тела, состояние кожного покрова, отношение к опасности, алкогольное опьянение и др. Следует учитывать, что относительно высокое напряжение кожного покрова не может служить токоограничивающим фактором, поскольку при прикосновении человека к проводникам под напряжением в несколько десятков вольт наступает пробой кожи в месте прикосновения. В результате, токоограничивающие функции выполняет только сопротивление внутренних органов человека. В угольной промышленности при расчётах электрических сетей по условиям электробезопасности, сопротивление человека принимают равным 1000 Ом. При такой величине сопротивления нормируют время срабатывания защиты от утечек тока. Важным фактором, влияющим на исход поражения, является путь тока в теле человека. Наиболее опасно прохождение тока по пути через дыхательные мышцы и сердце. Ток в теле человека проходит не обязательно по кратчайшему пути, а по пути наименьшего электрического сопротивления. Это объясняется большой разницей в сопротивлении различных тканей (костная, мышечная, жировая). 2.3 УСЛОВИЯ ПОРАЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ ПРИ ПРИКОСНОВЕНИИ К ТОКОВЕДУЩИМ ЧАСТЯМ Поражение человека электрическим током может произойти при прикосновении к двум фазам сети, одной фазе или к оболочке электрооборудования (металлическим частям), случайно оказавшейся под напряжением в результате повреждения изоляции. Прикосновение человека к двум фазам сети является наиболее опасным. В этом случае ток, протекающий через человека IЧ 34


зависит только от линейного напряжения UЛ и сопротивления тела человека:

I чел =

UЛ = R чел

3U Ф . R чел

С учётом величин линейных напряжений, применяемых в СЭС шахты, прикосновение человека к двум фазам электросети представляет для него смертельную опасность. Абсолютное большинство поражений электрическим током происходит при прикосновении к одной токоведущей фазе человека, стоящего на земле или соприкасающегося с металлическими корпусами оборудования. Исход поражения при прикосновении к одной фазе сети в значительной степени зависит от режима нейтрали. На угольных шахтах применяют сети с изолированной и с заземлённой нейтралью. В подземных выработках ПБ разрешают применение электрических сетей только с изолированной нейтралью, за исключением особых случаев, когда без заземлённой нейтрали невозможна работа установок. К сетям с изолированной нейтралью относят сети, в источниках питания (трансформаторах, генераторах) которых нулевая точка изолирована от земли или присоединена к заземляющему устройству через большое сопротивление. К сетям с глухозаземлённой нейтралью относят сети, в которых нулевые точки источников питания присоединены к заземляющему устройству посредством проводников с малым сопротивлением. Такие сети находят широкое применение на поверхности шахт в основном из-за того, что в них можно применять электрооборудование двух уровней напряжения (380/220 В). Прикосновение человека к одной фазе сети с глухозаземлённой нейтралью. В сетях с глухозаземлённой нейтралью ток, протекающий через человека при прикосновении к одной фазе сети (рис. 2.3) находится в обратной зависимости от суммарного сопротивления R, слагающегося из сопротивления тела человека RЧ, переходного сопротивления в местах контакта с токоведущей частью RП, сопротивления обуви RОБ, сопротивления растеканию тока от подошв обуви к земле RР и сопротивления заземления нейтрали RЗ. В этом случае ток через человека будет равен: 35


I=

UФ . Rчел + RП + RОБ + RР + RЗ

Если учесть что сопротивление тела человека в наиболее неблагоприятных условиях значительно больше остальных сопротивлений, то этот ток будет обусловлен величиной фазного напряжения сети и ограничен сопротивлением тела человека:

I чел =

UФ . R чел

Из этой формулы видно, что ток, протекающий через человека, не зависит от сопротивления изоляции и ёмкости сети. При применении индивидуальных средств защиты (диэлектрические перчатки, боты, коврики и т.п.) пере- Рисунок 2.3 – Прикосновение человека ходное сопротивление RП в к одной фазе в сети с заземленной нейтрацепи человека может быть лью большим. Это приводит к снижению величины тока и, следовательно, предотвращению поражения человека. Прикосновение человека к одной фазе сети с изолированной нейтралью. В такой сети ток через человека замыкается через сопротивление изоляции сети (рис. 2.4). Оно складывается из активного Rи, обусловленного качеством изоляционных материалов и ёмкостного ХС, обусловленного ёмкостью изоляции сети. Полное сопротивление изоляции равно:

Z и = Rи2 + xс2 ; 1⋅106 ; xC = 2π ⋅ f ⋅ C где f - частота сети, Гц; С – ёмкость изоляции сети, мкФ. 36

(2.1) (2.2)


Нормальный режим работы сети характеризуется равенством активных (R1=R2=R3) и ёмкостных сопротивлений (Х1=Х2=Х3). При таких условиях [1, 2]: U1=U2=U3; I1=I2=I3; Un=0; где U1, U2, U3 – напряжения фаз относительно земли; I1, I2, I3 – токи утечки фаз на землю; Un – напряжение нейтрали. При симметричном сопротивлении изоляции потенциал нейтрали совпадает с потенциалом земли, и векторная диаграмма выглядит, как показано на рис. 2.5а. При прикосновении к одной из фаз, например, к фазе А, симметрия сети нарушится, нулевая точка векторной диаграммы займёт новое положение 01 (рис. 2.5б), а напряжения фаз будут равны: •

U1' = U1 −U N

U 2' = U 2 −U N

U 3' = U 3 −U N

Ток, протекающий через человека, согласно закону Ома: •

' U −U U I чел = 1 = 1 N R R •

чел

чел

Токи через сопротивление изоляции равны: •

• • • U1' U1 − U N I1 = = Zи Zи

I2

• • U −U N U = 2 = 2 '

I3

• • U U −U N = 3 = 3 '

В рассматриваемой сети: •

1

2

∑I = I + I

+ I 3 + IЧ = 0 •

Решая совместно приведенные уравнения и учитывая, что U 1 нахо•

дится в фазе с U N окончательно получим:

I чел =

3U Ф 3Rчел + Z и 37

(2.3)


Из приведенной формулы и схемы замещения (рис. 2.4б) видно, что полное сопротивление изоляции включено последовательно с сопротивлением человека и оказывает токоограничивающее действие. Из этого видна роль изоляции как фактора безопасности: чем выше сопротивление изоляции, тем меньше ток через человека. В сети с малой ёмкостью и большим активным сопротивлением изоляции Zи>>Rчел и выражение (2.3) примет вид:

I чел =

3U Ф Zи

Рисунок 2.4 – Схема протекания тока через человека в сети с изолированной нейтралью: а – схема сети; б – схема замещения; в – векторная диаграмма

Рисунок 2.5 – Векторная диаграмма фазных напряжений при: а – симметричном сопротивлении изоляции; б – при прикосновении человека к одной фазе 38


Ток через человека в этом случае ограничивается сопротивлением фаз относительно земли и практически не зависит от сопротивления человека. При высоком сопротивлении изоляции ток через человека мал и даже может не превышать длительно допустимый. В разветвлённых сетях с большим числом потребителей сопротивление изоляции мало, а ёмкость может иметь большую величину. В этом случае Zи<<RЧ и выражение (2.3) будет равно:

I чел =

3U Ф Rчел

Человек в этом случае будет находиться под фазным напряжением, а сопротивление изоляции почти не влияет на величину тока через человека. Рассмотренные условия встречаются крайне редко. Потому для общего случая распределения активного и ёмкостного сопротивления изоляции ток, протекающий через человека может быть определен по формуле:

I чел =

UФ Rи ( Rи + 6 Rчел ) Rчел ⋅ 1 + 2 9 Rчел (1 + Rи2ω 2С 2

В сетях напряжением 6 кВ, в которых ёмкостное сопротивление значительно ниже активного, ток через человека может быть определен по формуле:

I чел =

3U ФωC 2 Rчел ⋅ 1 + 9 Rчел ω 2С 2

В сетях с изолированной нейтралью особенно опасно прикосновение человека к исправной фазе при глухом замыкании другой фазы на землю. В этом случае человек будет находиться под линейным напряжением, а ток – определяться из выражения:

I чел = 39

3U Ф Rчел


Для защиты человека от поражения электрическим током применяют большой класс устройств, основанных на различных принципах действия (рис. 2.6) [1, 2, 4, 10]. Эти защитные устройства различны по своей сложности и функциональным возможностям, Однако могут применяться практически в любых электроустановках. 2.4 ВЛИЯНИЕ СОСТОЯНИЯ ИЗОЛЯЦИИ НА БЕЗОПАСНОСТЬ И НАДЁЖНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Электрическая изоляция является общим (хотя и недостаточным) средством предотвращения всех видов опасности от электрического тока. Её состояние является одним из важнейших факторов, обеспечивающих безопасность эксплуатации электрооборудования. Сопротивление изоляции электрической сети Zи складывается из активного Rи и ёмкостного XС сопротивлений (2.1).

Рисунок 2.6 – Классификация средств защиты от поражения человека электрическим током

40


Активное сопротивление обусловлено свойствами и качеством изоляционных материалов. Обеспечение надёжности изоляции достигают: правильным выбором материала; формой изоляционных деталей и конструкций электрооборудования; учетом влияния условий эксплуатации (влажность, температура, запылённость, наличие минеральных масел и т.д.); соблюдением режимов работы электрооборудования, а также качеством его технического обслуживания и профилактики. При выборе уровня сопротивления изоляции RИ необходимо исходить из условия, что человек не должен ощущать действие электрического тока в условиях эксплуатации [4]:

Rи =

Uф I ощ

=

Uл 3I ощ

где UФ , UЛ – фазное и линейное напряжения сети; Iощ – допустимый (пороговый) ощутимый ток. Учитывая, что в условиях эксплуатации активное сопротивление изоляции снижается примерно на порядок по сравнению с исходным, уровень сопротивления (в зависимости от напряжения) изоляции рекомендуется обеспечивать не ниже [4]: Напряжение сети, кВ 6 1,2 0,69 0,4 0,23 Минимальное сопротивление изоляции электрооборудования, МОм - при эксплуатации 12 2,5 1,4 0,8 0,5 - при проектировании и изготовлении 120 25 14 8 4,5 Изоляционные материалы, рассчитывают на наиболее тяжёлые режимы работы. Они должны удовлетворять требованиям высокой электрической и механической прочности, негорючести, тепло-влагомаслостойкости, стойкости к действию слаботочных поверхностных разрядов (трекингостойкость) и действию электрической дуги (дугостойкость), а также химической стойкости. При конструировании оборудования необходимо обеспечивать пути утечки и электрические зазоры между токоведущими частями разного потенциала в соответствии с ГОСТ 24719-81.

41


Путь утечки – это кратчайшее расстояние по поверхности изоляционного материала между токоведущими частями разного потенциала (рис. 2.7). При расчёте путей утечки могут быть учтены ребра, канавки, выступы, ступеньки, если их размеры не менее 3 мм. Электрический зазор – это кратчайшее расстояние в окружающей среде между неизолированными тоРисунок 2.7 – Пути утечки: коведущими частями разного потен1– токоведущая часть; циала или между ними и заземлённой 2 – изоляционный материал частью электрооборудования. В процессе эксплуатации сопротивление изоляции может снижаться вследствие увлажнения, покрытия ее поверхности пылью, изменения физико-химических свойств, старения, воздействия высоких температур. Для поддержания высокого уровня сопротивления изоляции необходимо обеспечивать: заданные режимы работы и охлаждения электрооборудования; защиту его от механических повреждений, попадания влаги и пыли внутрь оболочек; создавать благоприятные температурные режимы работы. Периодически производят контроль сопротивления изоляции в сроки, установленные ПУЭ - для установок поверхности и ПБ - для подземных установок. При этом измеряют сопротивление изоляции между фазами, а также каждой фазы относительно земли. Сопротивление изоляции рудничного электрооборудования на напряжение 127…1140 В должно быть не ниже [6]: • электродвигателей угледобывающих и проходческих машин 0,5 МОм; • электродвигателей других машин, а так же электроаппаратов, пусковых и осветительных агрегатов – 1 МОм; • бронированных и гибких кабелей любой длины – 1 МОм на фазу. Электрооборудование, сопротивление изоляции которого не соответствует нормам, должно быть выведено из эксплуатации. Ёмкостное сопротивление сети обусловлено тем, что токоведущие части, разделённые изоляционными материалами, образуют конденсатор. Это сопротивление имеет линейную зависимость от 42


длины кабелей, так как ёмкость изоляции других видов оборудования на несколько порядков ниже, чем ёмкость изоляции кабелей [4,10,11]. В современных сетях ёмкостное сопротивление изоляции имеет небольшую величину. Так, при нормируемой величине ёмкости изоляции 1 мкФ на фазу в сети напряжением до 1140 В, её емкостное сопротивление будет равно 3180 Ом. В сети высокого напряжения ёмкость изоляции может превышать 10 мкФ, а её ёмкостное сопротивление может быть ниже 100 Ом. Ток, протекающий через человека (ток утечки на землю) в такой сети состоит из двух составляющих: активной Iа, (ток через активные сопротивления утечки и изоляции кабельной сети) ёмкостной Iс, (ток через ёмкостные составляющие изоляции кабельной сети).

I чел = I а2 + I 2c

Рисунок 2.8 – Схема сети (а), схема замещения (б) и векторная диаграмма (в), поясняющая принцип компенсации ёмкостного тока утечки

43


Высокий уровень активного сопротивления можно поддерживать путём проведения профилактических мероприятий. Ёмкость фаз кабеля относительно земли не зависит от каких-либо его дефектов, а определяется только протяжённостью сети. В процессе эксплуатации эта ёмкость может изменяться только за счёт включения и отключения отдельных кабельных линий. Ток утечки на землю можно снизить путём компенсации его ёмкостной составляющей индуктивностью катушки компенсирующего дросселя (рис. 2.8). Из схемы видно, что ёмкость изоляции сети и индуктивность дросселя образуют параллельное соединение цепей, их токи будут направлены встречно, а ток, протекающий через человека (утечку) определяется формулой: 2

I чел = I а + ( I c − I L ) 2 где IL – индуктивный ток. Возможны три варианта компенсации ёмкостного тока (см. рисунок 2.9) [4]: • режим полной компенсации, (ёмкостное сопротивление равно индуктивному): 1 ωCC = ωL , в этом случае ток, протекающий через человека (утечку) будет минимальным. Он обусловлен активным сопротивлением изоляции сети. • режим недокомпенсации, когда ёмкостное сопротивление больше индуктивного:

ωCC >

1 ωL

в этом случае через человека (утечку) протекает ёмкостный ток. • режим перекомпенсации, когда ёмкостное сопротивление меньше индуктивного: 1 ωCC < ωL В этом случае через человека (утечку) протекает индуктивный ток.

44


В шахтных сетях напряжением до 1200 В в аппаратах защиты от утечек тока на землю предусматривают применение компенсирующих дросселей. Они могут быть со статической или автоматической компенсацией. Дроссели со статической компенсацией настраивают на определёнРисунок 2.9 – Компенсация емкостного тоную ёмкость сети, путём ка при напряжении: изменения числа витков 1 – 380 В; 2 – 660 В; 3 –1140 В катушки (следовательно, её индуктивности), включенных в цепь компенсации. Для этого дроссели имеют отпайки, дающие возможность настраивать устройства компенсации на ¼ или ½ максимальной ёмкости изоляции сети. Устройство автоматической компенсации ёмкостных токов утечки обеспечивает плавное изменение индуктивности и автоматическую настройку компенсатора на фактическую ёмкость сети. 2.5 ЗАЩИТНОЕ ШУНТИРОВАНИЕ НА ЗЕМЛЮ ПОВРЕЖДЁННОЙ ФАЗЫ Защита быстродействующим закорачиванием на землю основана на принципе снятия опасного напряжения с пострадавшего при его случайном прикосновении к токоведущей фазе, находящейся под напряжением. При попадании человека под фазное напряжение поврежденная фаза сети автоматически (в течение заданного интервала времени) закарачивается, шунтируя пострадавшего. При применении защиты с закорачиванием фазы на землю безопасность будет обеспечена, если время шунтирования Тш протекания тока через человека в переходном режиме будет меньше допустимого времени протекания тока через тело человека tчел [10]:

Т ш ≤ tчел 45


После закорачивания фазы на землю (установившийся режим) напряжение прикосновения к фазе UПР.Ф не должно превышать допустимое напряжение прикосновения UПР.Ч(t) при длительности t. U ПР.Ф = I З Z

+ I Н Z Л < U ПР.Ч ( t )

где IЗ - ток замыкания на землю; IН – ток нагрузки; ZЛ – сопротивление участка линии от места прикосновения до заземлителя; ZΣ – полное сопротивление цепи закорачивания. Для шахтных участковых сетей напряжением до 1140 В защитное закорачивание принимают с последующим защитным отключением. Основными элементами защиты являются: устройства для определения повреждённой фазы сети (ОПФ) и пофазно управляемый короткозамыкатель (УК). Схема, поясняющая принцип действия защиты с закорачиванием на землю повреждённой фазы сети приведена на рис. 2.10.

Рисунок 2.10 – Структурная схема защиты с закорачиванием на землю поврежденной фазы сети

В нормальном режиме работы сети, короткозамыкатели 1…3 находятся во взведенном состоянии. В момент прикосновения человека к фазе сети возникает режим фазного замыкания на землю через человека. При этом срабатывает устройство 4 ОПФ и подаёт сигнал на короткозамыкатель 3 повреждённой фазы, который закорачивает её на землю, снижая напряжение прикосновения до допустимой величины. 46


2.6 ЗАЩИТА ОТ УТЕЧЕК ТОКА НА ЗЕМЛЮ При эксплуатации электрооборудования может произойти снижение активного сопротивления изоляции электрооборудования, механические повреждения, пробой изоляции или прямой контакт человека с токоведущими частями. При этом через пониженное сопротивление изоляции или через тело человека протекает ток утечки. Сопротивление, по которому протекает ток утечки получило название сопротивления утечки. Оно может быть: распределённым, когда весь ток утечки протекает по большой площади изоляции не вызывая её повышенного нагрева, так как плотность тока в этом случае будет малой; сосредоточенным, когда весь ток утечки протекает через место повреждения, вызывая за счёт высокой плотности тока в месте утечки значительный нагрев или искрение, опасные с точки зрения воспламенения горючих материалов или газа. В зависимости от числа фаз с пониженным сопротивлением различают однофазную, двухфазную и трёхфазную утечку [4, 11]. В зависимости от продолжительности существования токи утечки подразделяют на: длительные, существование которых не вызывает срабатывание защитной аппаратуры (эти токи могут протекать в течение неограниченного времени); кратковременные, при которых происходит срабатывание защитной аппаратуры и отключение сети. Защита от утечек тока на землю предназначена для предотвращения поражения человека электрическим током, а также, для снижения вероятности возникновения таких опасных последствий утечек тока на землю, как пожар или взрыв. Аппарат защиты от утечек тока на землю также осуществляет: • непрерывный контроль (измерение) сопротивления изоляции фаз электрической сети относительно земли; • формирование команды на отключение электрической сети участка в случае снижения изоляции фаз и увеличения токов утечки до опасной величины; • компенсацию ёмкостных токов утечки; • предотвращение прожога оболочки при коротких замыканиях с касанием дуги стенок металлических оболочек; 47


• ограничение количества электричества, проходящего через тело человека за счёт быстродействия защитного отключения, компенсации ёмкостных токов утечки и короткого замыкания повреждённой фазы относительно земли фазным короткозамыкателем. Для осуществления защиты от утечек тока необходимы: коммутационный аппарат (для отключения силовой электрической сети) и аппарат защиты, контролирующий сопротивление изоляции сети и вырабатывающий сигнал на защитное отключение коммутационного аппарата [4, 10, 11]. Работа защиты от утечек тока иллюстрируется диаграммой, приведенной на рис. 2.11. При длительном (безопасном) токе утечки IД срабатывание защиты не происходит. При появлении опасного тока утечки (кратковременного тока IК) происходит защитное отключение сети. Время отключения tО определяется временем срабатывания аппарата защиты tЗ, коммутационного аппарата tК и временем затухания обратной ЭДС Рисунок 2.11 – Диаграмма работы электродвигателей tЭ: защиты от утечек тока

tО = t З + t К + t Э При срабатывании защиты через человека или сопротивление утечки протекает кратковременный ток утечки IК. Безопасные свойства аппаратов защиты от утечек в соответствии с ГОСТ 22929-78 характеризуются следующими параметрами: • уставка по току срабатывания для всех уровней напряжения – 0,025 А (25 mA); • уставка по сопротивлению срабатывания при симметричной трёхфазной утечке: Номинальное напряжение сети, В Сопротивление срабатывания, кОм

127 220…380 660 1140 3,3

10

30

60

• общее время отключения не должно превышать: для сетей 660 В – 0.2 с. для сетей 1140 В – 0.12 с;

48


• собственное время срабатывания аппарата защиты не должно превышать: для сетей 660 В – 0,1 с, для сетей 1140 В – 0,07 с; • кратковременный ток через человека или сопротивление однофазной утечки равной 1000 Ом (минимальное сопротивление тела человека при воздействии на него опасного напряжения) не должен превышать 0.1 А (или количество электричества не более 0.05 А⋅с) при изменении сопротивления утечки в диапазоне от 1000 Ом до 60 % сопротивления срабатывания; • напряжение источника измерительного тока не должно превышать фазного напряжения сети, рекомендованное значение – 100 В. Схемы и конструкция аппаратов защиты. В настоящее время на шахтах широко применяют большое количество различных типов аппаратов защиты от утечек тока в блочном и индивидуальном исполнении: УАКИ, БЗП-1А, АЗАК, АЗПБ, АЗУР, АЗУ, РУ-1140 и др. Они, как правило, содержат следующие основные узлы и блоки (рис. 2.12): ФП – фильтр присоединения к фазам сети; ИОТ – источник оперативного тока (или напряжения - ИОТ); ИБ – измерительный блок; ПП - показывающий прибор; ИР – исполнительное реле. Кроме этого устройства защиты для сетей 380 В – 1140 В могут содержать компенсатор ёмкости сети – К, а для сетей 660 В – 1140 В - фазный короткозамыкатель – ФК, устройство проверки исправности аппарата и заземлителя. Защита работает следующим образом. Напряжение источника оперативного тока через фильтр отрицательным полюсом прикладывается к фазам сети, положительным полюсом – к заземлителю. В зависимости от метода измерения, в цепи «ИОТ (ИОН) – ИБ – сопротивление изоляции Rи – ФП» формируется оперативный ток или напряжение, величина которого однозначно соответствует величине активного сопротивления изоляции сети относительно земли. Измерительный блок вырабатывает сигнал для визуальной оценки величины активного сопротивления изоляции для показывающего прибора ПП и сигнал защитного отключения для исполнительного реле ИР, контакты которого воздействуют на катушку автоматического выключателя. Кроме этого, при наличии устройства автоматической компенсации ёмкостного тока утечки К и фазного короткозамыкателя ФК, измерительный блок вырабатывает сигналы для управления этими устройствами. Периодическую проверку работоспособности аппарата защиты осуществляют замыканием фазы сети на дополнительный за49


землитель через проверочный резистор RП кнопкой проверки КП. Дополнительный заземлитель располагают на расстоянии не менее 5 м от местного и подсоединяют к схеме аппарата защиты через зажим, изолированный от корпуса. Такая схема позволяет также контролировать исправность заземлителя. Периодическую проверку защиты согласно ПБ выполняют перед началом каждой смены.

Рисунок 2.12 – Структурная схема автоматической защиты от утечек тока на землю

Аппараты защиты изготовляют в блочном или индивидуальном исполнении. Аппараты блочного исполнения встраивают в распределительные устройства низшего напряжения комплектных трансформаторных подстанций. Аппараты индивидуального исполнения имеют собственную взрывонепроницаемую оболочку с вводным устройством для подключения кабелей и блокировкой, исключающей открывание крышки корпуса при включенном разъединителе. Аппарат защиты индивидуального исполнения устанавливают вблизи участкового трансформатора (рис. 2.13). Он должен воздействовать на групповой аппарат АВ, который соединяют с трансформатором кабелем длиной не более 10 м [6]. На шахтах применяют схемы аппаратов защиты от утечек тока с последовательным или параллельным соединением источника оперативного тока ИОТ, исполнительного реле К и сопротивления утечки Rу.

50


Рисунок 2.14 – Принципиальная схема Рисунок 2.13 – Схема расположения ап- аппарата защиты от утечек тока РУВ парата защиты индивидуального исполнения

В схеме с последовательным соединением этих элементов (аппарат защиты РУВ – рис. 2.14) источник оперативного тока ИОТ подключен к фазам сети через индуктивный фильтр присоединения ФП и электромагнитное реле К. Индуктивное сопротивление фильтра ФП для переменного тока частотой 50 Гц велико и силовое напряжение фаз сети не оказывает влияние на оперативный ток устройства. Величина оперативного тока однозначно соответствует величине сопротивления фаз сети относительно земли. При снижении сопротивления изоляции ниже опасной критической величины RУ оперативный ток, проходящий через обмотку реле К возрастает и вызывает его срабатывание. Контакты реле К1 замыкают цепь отключающей катушки ОК, что приводит к отключению сети автоматическим выключателем. Преимуществом данного устройства является его простота, недостатком – отсутствие самоконтроля элементов схемы. При отказе такого аппарата сеть будет находиться под напряжением и не будет отключена при появлении опасной утечки. В частности, обрыв одной или нескольких фаз фильтра присоединения или обмотки реле К приводит к невозможности защитного отключения при отсутствии видимых признаков неисправности. Этот недостаток присущ большинству аппаратов с последовательной схемой контроля изоляции. Схема контроля изоляции участковой сети, представленная на рис. 2.15 обладает свойством частичного самоконтроля исправности элементов. В данном устройстве источник оперативного напряжения состоит из трёх вентилей VИ, подключенных через резисторы Rи к фа51


зам сети и к земле. Параллельно к источнику оперативного напряжения подключена схема контроля изоляции, состоящая из фильтра присоединения ФП (резисторы Rф), порогового устройства ПУ (компаратор напряжения А1, входной делитель напряжения R1 и R2), исполнительного реле К и транзисторного ключа VT1.

Рисунок 2.15 – Принципиальная схема аппарата защиты от утечек АЗУ

При большом сопротивлении фаз сети относительно земли практически весь оперативный ток протекает по цепи: фазы сети – резисторы присоединения Rи, вентили Vи – земля з – дополнительный заземлитель Дз - резистор R1 – резисторы Rф – фазы сети. В этом случае оперативный ток, протекающий по резистору R1 вызывает большое падение напряжения, которое подаётся на вход компаратора A1 через резистор R2. Так как это напряжение превышает опорное напряжение Uоп на другом входе компаратора А1, то на его выходе присутствует положительное напряжение, поступающее на ключ VT1. При этом ключ VT1 открыт, по обмотке реле К1 протекает ток, удерживающий размыкающий контакт К1.1 в разомкнутом состоянии. При появлении в сети утечки, часть оперативного тока начинает протекать по цепи утечки – Rу. Соответственно, ток через резистор R1 и падение напряжение на нем уменьшаются. При снижении сопротивления изоляции ниже критического, напряжение на резисторе R1 и на входе компаратора А1 снижается ниже Uоп. Напряжение на выходе компаратора снижается до нуля, ключ VT1 закрывается, якорь реле отпадает и контакт реле К1.1 замыкает цепь отключающей катушки ОК. При этом происходит защитное отключение автоматическим выключателем. Конденсатор С предназначен для устранения помех 52


от переменного тока сети, переключатель П – для изменения параметров источника оперативного напряжения и обеспечения требуемого порога срабатывания при работе устройства в сетях 660 В или 380 В. При обрыве или повреждении элементов источника оперативного напряжения или фильтра присоединения, оперативный ток в системе снижается, что приводит к повышению порога срабатывания или к защитному отключению. Кроме этого, при обрыве или коротком замыкании обмотки исполнительного реле К1, обрыве коллекторной или базовой цепи ключа VT1, контакт реле К1.1 замыкается и происходит формирование команды на защитное отключение сети.

Рисунок 2.16 – Принципиальная схема контроля сопротивления изоляции аппарата АЗУР 4

Аппараты защиты от утечек типа АЗУР (рис. 2.16) для обеспечения самоконтроля дополнительно снабжены источником эталон53


ного напряжения повышенной частоты. Источник оперативного тока UОН включен последовательно между дополнительным заземлителем Дз, показывающим прибором Р, измерительными резисторами R43R45, дросселем, компенсирующим ёмкость сети L2 и фильтром присоединения к сети Т1. Оперативный ток проходит по цепи: UОН – R45 – R42 – L2 – T1 – фазы сети – сопротивление утечки RУ, земля З – Дз – показывающий прибор Р – +UОН. Величина оперативного тока Io обратно пропорциональна сопротивлению изоляции сети. Напряжения, пропорциональные оперативному току, снимаются с резисторов R45 и R43 и поступают на неинвертирующие входы операционных усилителей DA4 и DA5 соответственно. Фильтрующие цепи R43–С23 и R47, R54, R56 – C24, С25, C26 предотвращают влияние на результаты измерения коммутационных помех. На инвертирующий вход операционного усилителя DA4 поступает сигнал от источника эталонного напряжения Uэн повышенной частоты и напряжения смещения от источника U1. Параметры схемы выбраны таким образом, Рисунок 2.17 – Диаграмма изменения что напряжение на выходе напряжений на входах микросхемы микросхемы DA4 переключаDA5 ется с частотой источника эталонного напряжения при неповреждённой цепи оперативного тока. Ключ VT5, при этом, так же замыкается частотой напряжения UЭН. При помощи ключа VT5 и опорного напряжения U2 формируется эталонный сигнал UЭС повышенной частоты (рис. 2.17) на инвертирующем входе микросхемы DA5. При высоком значении сопротивления изоляции, напряжение, снятое с резистора R43 (Uвх1) на неинвертирующем входе микросхемы DA5 не превышает амплитуды напряжения UЭС, а на инвертирующем входе и на выходе операционного усилителя присутствует переменное напряжение повышенной частоты. Это напряжение поступает на ключ VT6 и обеспечивает его переключение и переключение ключа VT9 с повышенной частотой. При этом возникает переменная составляющая напряжения, приложенная между конденсато54


рами С40 и С41. По обмотке исполнительного реле К10 протекает ток, выпрямленный диодами VD39 и VD40 и удерживает якорь реле в притянутом состоянии, а его контакты в замкнутом состоянии. При снижении сопротивления изоляции ниже критического значения, напряжение на неинвертирующем входе микросхемы DA5 (Uвх2) превысит амплитуду эталонного сигнала UЭС на инвертирующем входе, переменное напряжение на выходе DA5 исчезает, ключ VT6 закрывается, и обмотка реле К10 обесточивается. Контакты исполнительного реле размыкаются и производится защитное отключение. Самоконтроль исправности производится следующим образом. При повреждении цепи оперативного тока, при выходе микросхем DA4 и DA5 из строя, на их выходах исчезает напряжение повышенной частоты и происходит защитное отключение. При повреждении цепей обмотки исполнительного реле К10 так же происходит защитное отключение вследствие его обесточивания.

Рисунок 2.18 – Принципиальная схема статической компенсации аппарата АЗУ

Рисунок 2.19 – Функциональная схема автоматического компенсатора аппарата защиты АЗУР

Компенсация ёмкостной составляющей тока утечки и защитное шунтирование повреждённой фазы. Для компенсации ёмкостного тока между фазами сети и землёй присоединяют компенсирующий дроссель. Величину индуктивности дросселя выбирают таким образом, чтобы в электрической сети возникал параллельный резонанс на частоте 50 Гц и ток утечки снижался бы до безопасной ве55


личины [11]. Наиболее простым методом компенсации является статическая компенсация (рис. 2.18). Для этого используют дроссели с отводами для различных величин ёмкости изоляции участков сети. В сетях со значительными изменениями ёмкости изоляции сети в процессе эксплуатации в зависимости от количества подключенных или отключенных ответвлений, индуктивность статического компенсатора не может быть точно подобрана для всех режимов работы. Более точную компенсацию ёмкостного тока можно обеспечить устройством автоматической компенсации, индуктивность которого автоматически настраивается в соответствии с фактической ёмкостью изоляции сети (рис. 2.19). Компенсирующий дроссель L2 подключен между землёй и фазами сети через индуктивный фильтр присоединения ТV2. Устройство измерения ёмкости изоляции сети УИ подключено между фазами сети и землёй через конденсаторы С17С19. При помощи оперативного тока высокой частоты устройство УИ производит измерение и вырабатывает на своём выходе знакопостоянный ток, пропорциональный величине ёмкости изоляции сети. Этот ток усиливается усилителем У и подаётся в обмотку управления компенсирующего дросселя L2. За счёт изменения тока подмагничивания магнитопровода в зависимости от величины емкости изоляции сети изменяется индуктивность дросселя, сохраняется условие параллельного резонанса и происходит эффективное снижение емкостной составляющей тока утечки. Для сетей напряжением 1140 В применение компенсации ёмкостной составляющей недостаточно для снижения ёмкостного тока утечки до безопасного уровня. Поэтому, для ограничения тока утечки, протекающего через человека в сети напряжением 1140 В, применяют фазные короткозамыкатели. Принцип действия фазных короткозамыкателей рассмотрим на примере схемы аппарата защиты типа АЗУР-4. Фазный короткозамыкатель (рис. 2.20) состоит из трёх идентичных пороговых элементов ПЭ с шунтирующими резисторами Rш и соответствующими контактами К1.1, К2.1, К3.1 для их замыкания на землю. Напряжение, например, с фазы «С» поступает на вход порогового элемента ПЭ1 (конденсатор С10). Это напряжение выпрямляется и поступает через делитель R29-R26 и ограничивающий резистор R11 на инвертирующий вход микросхемы DA1. На её неинвертирующий вход через резистор R10 подключено опорное напряжение Uп, определяющее порог срабатывания порогового элемента. Если сопротивление изоляции фазы «С» имеет большое значение, то напряжение 56


фазы «С» относительно земли и, следовательно, на входе порогового элемента ПЭ1 так же имеет большое значение. Напряжение на инвертирующем входе превышает опорное напряжение Uп и на выходе DA1 напряжение отсутствует. При повреждении изоляции или при прикосновении человека к фазе «С», напряжение на входе ПЭ1 снижается. Напряжение на инвертирующем входе снижается ниже величины опорного (Uп) и на выходе DA1 появляется напряжение, которое отпирает транзисторный ключ VT1. Исполнительное реле К1 срабатывает, своими контактами К1.1 подключая шунтирующий резистор параллельно сопроРисунок 2.20 – Принципиальная схема фазтивлению утечки поврежного короткозамыкателя аппарата защиты дённой фазы (или сопроАЗУР -4 тивлению тела человека относительно земли). Так, как сопротивление Rш значительно меньше сопротивления человека, то основной ток утечки пройдёт через резистор Rш, а ток через человека не превысит безопасной величины. Аналогично, в случае повреждения фазы «А» или «В» сработает пороговый элемент ПЭ2 или ПЭ3 и замкнется соответствующий контакт реле К2.1 или К3.1. В аппарате защиты АЗУР-4 предусмотрена защита от одновременного замыкания нескольких шунтирующих контактов. Предварительный контроль сопротивления изоляции. В условиях эксплуатации шахтных электросетей часто возникают повреждения изоляции гибких кабелей. Подача напряжения на отходящее присоединение с повреждённой изоляцией недопустимо. В связи с этим силовые коммутационные аппараты (пускатели, автоматические выключатели, станции управления и т.п.) оборудуют устройствами для предупредительного контроля сопротивления изоляции отходящего присоединения (блокировочное реле утечки – БРУ, либо блок контроля изоляции БКИ). 57


Согласно ГОСТ 22929-78 эти устройства контролируют величину активного сопротивления изоляции трёх фаз отходящего присоединения при отключенном силовом коммутационном аппарате. В случае, если это сопротивление изоляции оказывается ниже предельно допустимой (нормируемой) величины, устройства предупредительного контроля препятствуют включению силового коммутационного аппарата и включают соответствующую световую индикацию. Предельно допустимые величины сопротивлений изоляции кабелей нормируются в соответствии с номинальным напряжением сети: Номинальное напряжение сети, В Допустимое сопротивление изоляции, кОм, не менее

до 220 380 15 30

660 1140 30 100

Величина измерительного тока не должна превышать 0.01 А (если используется постоянный измерительный ток), либо 0.006 А при переменном измерительном токе.

Рисунок 2.21 – Схема блока контроля изоляции БКИ

Схема блока контроля изоляции БКИ представлена на рис. 2.21. Переменное напряжение питания 36 В подаётся на клеммы 2, 12. 58


Клемма 20 присоединяется к заземляющему зажиму, а клемма 10 через размыкающий вспомогательный контакт К2.1 к фазе сети. Измерительный ток, выпрямленный диодом VD3 проходит через заземлитель, землю, сопротивление изоляции Rи отходящего присоединения, резисторы R8, R7, R5, R4. Далее этот ток проходит либо через базаколлекторный переход транзистора VT3, либо через вход усилителя на транзисторах VT1, VТ2. Эталонный ток, выпрямленный диодом VD1, протекает от клеммы 2 через база-эмиттерный переход транзистора VT3 и резисторы R6, R10, R9. Если сопротивление изоляции контролируемого участка сети оказалось меньшим предупредительной уставки, но большим аварийной уставки блока, то измерительный ток будет превышать значение эталонного тока. В результате через выход усилителя потечёт разностный ток, который откроет транзисторы VT1, VT2, и реле К1.1 сработает и замкнёт при этом контакт реле К1.2, шунтирующий резистор R10 в цепи эталонного тока. В результате эталонный ток увеличится и станет больше измерительного тока, усилитель с некоторой выдержкой времени закроется, а реле К.1.1 отключится. Затем эти циклы будут повторяться, т.е. реле К1.1 в рассматриваемом режиме будет периодически включаться и отключаться, а лампа сигнализации H, включаемая контактами К1.3 - мигать. Блок позволяет включить коммутационный аппарат во время паузы, когда реле К1.1 отключено. Если же сопротивление изоляции контролируемого участка сети снизится до значения сопротивления аварийной уставки, то измерительный ток будет превышать эталонный и при зашунтированном резисторе R10. В таком режиме усилитель на транзисторах VT1, VT2 постоянно открыт, реле К.1.1 включено, а цепь управления коммутационным аппаратом К2 заблокирована контактом К1.3. Лампа сигнализации о срабатывании блока БКИ будет при этом постоянно гореть. Уставки блока БКИ регулируются с помощью резисторов R2, R3, изменяющих напряжение, подаваемое на цепь эталонного тока. Переключением тумблера SA можно зашунтировать резистор R10 и тем самым перевести блок на режим работы, при котором он срабатывает только при сопротивлении изоляции, меньшем аварийной уставки.

59


2.7 ЗАЩИТА ОТ УТЕЧЕК ТОКА НА ЗЕМЛЮ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ЧАСТОТНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРОПРИВОДАМИ ГОРНЫХ МАШИН В последние годы интенсивно ведутся работы по применению частотно-регулируемого электропривода горных машин с целью оптимизации работы технологических установок, повышения их ресурса и производительности. Электрические сети, содержащие в своём составе преобразователь частоты (ПЧ), по сравнению с сетями промышленной частоты 50 Гц обладают повышенной опасностью поражения человека электрическим током – расчётные значения токов утечки на землю максимальны, широкий спектр токов препятствует искусственному их снижению, а возможные постоянные токи утечки на землю внутри преобразователя частоты способны нарушить работоспособность устройств контроля сопротивления изоляции электрической сети относительно земли с использованием для этих целей традиционного принципа наложения постоянного оперативного тока. Решение проблем электробезопасности зависит от принятой схемы электроснабжения горных машин с частотным регулированием. Известны три варианта схем электроснабжения в зависимости от места расположения преобразователя частоты (рис. 1): - ПЧ размещён в оболочке горной машины и имеет гальваническую связь с шахтной участковой электрической сетью (рис. 2.22а); - ПЧ размещён в отдельной оболочке и имеет гальваническую связь с шахтной участковой электрической сетью (рис. 2.22б); - ПЧ размещён в отдельной оболочке и гальванически разделён с шахтной участковой электрической сетью трансформатором (рис. 2.22в). С целью упрощения на рис. 2.22 силовые коммутационные аппараты (пускатели) двигателей нерегулируемого электропривода (ДП1; ДП2) не показаны. Наиболее рациональными являются схемы преобразователей на основе применения силовых транзисторов в схемах выпрямителей и инверторов (рис. 2.23). В рассмотренных вариантах схем электроснабжения питающая сеть имеет участки разного рода тока: промышленной частоты (50 Гц); постоянного тока на выходе выпрямления (звена постоянного тока ПЧ); изменяющейся частоты на выходе ПЧ. Утечка тока на землю возможна на каждом из этих участков. При возникновении утечки 60


на участке сети с неизменной частотой (50 Гц), ток утечки Iут~, протекающий через сопротивления Rут~, обусловлен наличием трёх цепей сопротивления изоляции: участка с неизменной частотой (Z~); участка постоянного тока (Zп) и участка с изменяющейся частотой (Zи). Составляющая тока, протекающая через Z~, является переменным током и обусловлена активным сопротивлением и ёмкостью изоляции участка переменного тока относительно земли. При симметрии изоляции участка постоянного тока ток утечки комбинированной сети может быть определен по той же формуле, что и для обычной сети переменного тока: I ут = U ф

Х С2 + R 2

(2.4)

Х С2 (R ут + R ) 2 + R 2ут R 2

ХС , RC – соответственно результирующие ёмкостное и активное сопротивления изоляции участка переменного тока частоты 50Гц. Для случая, когда участок постоянного тока несимметричен, ток утечки может быть определен по формуле: I ′ут = U ф

Х с2 + R 2 Х с2 (R ут + R ) 2 + R 2ут R 2

+

1,17 2 (r− + R ут ) 2

(2.5)

На рис. 2.22 приведены схемы: а) – с размещением ПЧ на машине ; б) – с размещением ПЧ в отдельной оболочке; в) – с гальваническим разделением ПЧ и участковой электросети посредством разделительного трансформатора. АЗ – аппарат защиты; АВ – автоматический выключатель; ВК – вакуумный контактор; ДР1, ДР2 – двигатели с регулируемой частотой вращения ротора; К – корпус машины. Для оценки условий электробезопасности рассмотрим соотношение токов утечки I ′ут и Iу, используя формулы 2.4 и 2.5 После преобразований получим: I ′ут / Iут

=

1+

(

1.17 2 X с2 + R 2ут

(r− + R ут )2

)

(2.6)

Рассматривая это соотношение для наиболее тяжёлого случая, когда сопротивление утечки равно сопротивлению тела человека (Rут = 1000 Ом), ёмкость сети равна максимально допустимой по ПБ (С= 1 61


мкФ/фазу, ХС= 1,06 кОм), а сопротивление изоляции равно критическому (сопротивлению уставки) видно, что ток утечки в несимметричном режиме будет больше на 1,2% и 0,3%, соответственно, для сетей напряжения 690 В и 1200 В. Это практически не скажется на ухудшении условий электробезопасности. а)

б)

в)

Рисунок 2.22 - Упрощенные схемы электроснабжения горных машин с регулируемым частотно-управляемым асинхронным электроприводом

При возникновении утечки на участке постоянного тока ток утечки определяется формулой: ⎛ 1,17rп 2,32 + I ут = U ф ⎜ ⎜ RR ут + R ут rп + rп R R ут + rп ⎝

где, R=

r1 3

r2=r3); rп =

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

(2.7)

- активное сопротивление изоляции 3-х фаз сети (при r1= rи r+ rи + r+

- результирующее активное сопротивление изоляции

участка сети с изменяющейся частотой и участка постоянного тока. 62


63

Рисунок 2.23 - Схема электрической сети с регулированием приводного двигателя (М) изменением частоты напряжения: ПА-выпрямитель; ПЧ - преобразователь частоты; Z~- сопротивление изоляции участка неизменной частоты, представленное активными сопротивлениями (r1, r2, r3) и емкостями (С1 ,С2, С3) фаз относительно земли; Zп- сопротивление изоляции участка постоянного тока, представленное активными сопротивлениями (r- , r+) и участка сети с изменяющейся частотой и емкостями (С+,С-) полюсов относительно земли; Zи- сопротивление изоляции, представленное активными сопротивлениями ( r4 ,r5, r6) и емкостями (С4,С5, С6) фаз относительно земли; Rут~, Rут п, Rут и – сопротивления утечки соответствующих участков.


В уравнении (4) rи - общее сопротивление изоляции трёх фаз участка сети с изменяющейся частотой (при r4= r5= r6 rи= r4/3); r+ сопротивление изоляции одного из полюсов (положительного) постоянного тока. При появлении утечки тока на землю на участке постоянного тока при Rут п=0 ток утечки будет равен: ⎛ 1,17 2,32 ⎞ ⎟ I ут.0 = U ф ⎜⎜ + rп ⎟⎠ ⎝ R

(2.8)

При результирующем сопротивлении изоляции электросети с ПЧ, равном критическому ток замыкания на землю не превысит 70 мА для сети напряжения 690 В и 40 мА для сети напряжения 1200 В. При сопротивлении утечки Rут=1 кОм токи утечки будут ещё меньше и на много меньше, чем токи, возникающие в цепи утечки на участке с неизменной частотой. При возникновении утечки на участке сети с изменяющейся частотой ток утечки можно представить в виде двух составляющих: - переменной, обусловленной сопротивлением изоляции и ёмкостью участка изменяющейся частоты (2.9); - постоянной, обусловленной сопротивлением изоляции участка постоянного тока (2.10): I = Uф

I=

(

2 XC + rи2

(

2 XC R ут + rи

)2 + rи2 ⋅ R 2yт

,

(2.9)

2,32 U ф rи

(2.10)

)

r− R ут + rи + R ут rи

где Хс – ёмкостное сопротивление изоляции участка с изменяющейся частотой, обусловленное суммой ёмкостей фаз С4, С5,С6, т.е. Си= С4+С5+С6 (см. рис. 2.23). Применяя алгебраическое сложение действующих значений токов, получим: I ут = U ф

Х с2

(R

Х с2 + rи2 ут

+ rи

)

2

+ rи2 R 2ут

+

[r (R −

5,38rи2 ут

+ rи ) + rи R ут

]

2

(2.11)

Ёмкостное сопротивление изоляции Хс участка с изменяющейся частотой зависит от частоты тока (f) на выходе ПЧ: 64


1

Xс = 2 π fС . и Поэтому и ток утечки зависит на этом участке с увеличением частоты напряжения и ёмкости изоляции значительно увеличивается по сравнению с током в цепи утечки при неизменной частоте напряжения 50 Гц (рис. 2.14). Отсюда следует, что если ПЧ установлен не на машине, а на распредпункте участка (в штреке), то условия электробезопасности необходимо обеспечивать, исходя из величины токов утечки на землю, возникающих на участке сети с изменяющейся частотой. Следовательно, нежелательно применять схему электроснабжения, при которой ёмкость изоляции участка сети с изменяющейся частотой будет значительной. В целях уменьшения токов утечки более целесообразна такая схема, при которой ПЧ устанавливается на самой машине. Для такой схемы ёмкость участка с изменяющейся частотой незначительна (Хс= ∞), поэтому ток утечки не зависит от частоты напряжения участка сети на выходе ПЧ: I ут = Uф

(R

1 ут

+ rи

+

) [r (R 2

5,38rи2

ут

+ rи ) + rи R ут

]

2

(2.12)

Рисунок 2.24 - Зависимость тока утечки на участке с изменяющейся частотой от частоты выходного напряжения ПЧ при ёмкости изоляции 3 мкФ / фазу (1); 1,5 мкФ/ фазу (2)

Если выпрямитель и инвертор ПЧ расположены в одном корпусе, можно не считаться также с сопротивлением изоляции участка постоянного тока. Тогда можно принять, что сопротивление изоляции отрицательного и положительного полюсов r– = ∞, и ток утечки будет определяться формулой: 65


I ут =

Uф rи + R ут

(2.13)

Таким образом, применительно к шахтной участковой электросети с ПЧ, можно сделать выводы: - для обеспечения защиты от поражения электрическим током наиболее целесообразной является система электроснабжения с размещением ПЧ в оболочке горной машины; - параметры защиты от утечек тока на землю для электросети с установкой ПЧ на машине необходимо выбирать исходя из максимального тока утечки, возникающего на участке с неизменной частотой напряжения сети; - в аппаратах защиты от утечек тока на землю для обеспечения достоверности контроля изоляции электросети с ПЧ следует применять источники переменного оперативного тока В настоящее время МНПП «Амплитуда» (г. Донецк) освоен серийный выпуск аппарата защиты от утечек тока на землю АЗУ-1 для систем электроснабжения с частотным управлением электроприводами горных машин напряжением 660/1140 В. Его функциональная схема (рис. 2.25) отражает взаимосвязь узлов в трех режимах работы аппарата защиты: - предупредительный контроль изоляции – ПКИ, (контроль сопротивления изоляции отключенной сети постоянным током, блокировка включения сети до восстановления изоляции, отображение результата контроля); - рабочий контроль изоляции – РКИ, (контроль величины сопротивления изоляции включенной сети, выявление аварийного снижения этого сопротивления с формированием сигнала защитного отключения сети, отображение результата контроля); - защитное шунтирование – ЗШ, (выявление опасного однофазного тока утечки на землю, формирование сигнала защитного отключения сети, определение и защитное шунтирование на землю повреждённой фазы). В режиме РКИ сопротивление изоляции сети контролируется переменным измерительным током низкой частоты (около 0,2 Гц) для исключения снижения чувствительности контроля в случае появления постоянных токов утечки на землю внутри преобразователя частоты (на схеме не показан).

66


Работа аппарата АЗУ-1 начинается с режима ПКИ. В системе «аппарат защиты – отключенная электрическая сеть» измерительный протекает ток по цепи: положительный полюс источника напряжения Е0 постоянного тока, датчик тока на резисторе R6, инвертор АИ, датчик тока нулевой последовательности сети на резисторе R7, «земля», сопротивление изоляции сети (на схеме не показано), фазы сети, фильтр ФП, токоограничивающие резисторы R4 и R5, инвертор АИ, отрицательный полюс источника напряжения Е0 . Фильтр ФП в виде трёхфазного присоединительного трансформатора обладает малым внутренним сопротивлением постоянному току. Сопротивление резистора R5 (R5>>R4, R6, R7) служит для ограничения измерительного тока величиной, безопасной в отношении воспламенения метановоздушной смеси при металлическом повреждении изоляции сети.

Рисунок 2.25 - Функциональная схема аппарата защиты АЗУ-1

Величина сопротивления изоляции электрической сети оценивается аналого-цифровым сигнальным процессором АЦСП по падению напряжения на сопротивлении R6. Это напряжение, пропорциональ67


ное постоянному измерительному току, сравнивается с порогами блокировки и деблокировки, соответствующими сопротивлению изоляции, соответственно, при блокировке и деблокировке подачи рабочего напряжения на сеть. По результату сравнения процессор АЦСП формирует выходной сигнал, разрешающий или запрещающий включение автоматического выключателя (АВ) QF1 трансформаторной подстанции участка. При включении (вручную) автоматического выключателя QF1 аппарат защиты переходит в режим РКИ. Определитель повреждённой фазы ОПФ реализован на базе AVR-микроконтроллера фирмы Atmel. Он выявляет подачу рабочего напряжения на сеть по наличию сигналов, пропорциональных напряжениям Е1, Е2 и Е3, информирует об этом процессор АЦСП и увеличивает измерительный ток путём шунтирования сопротивления R5 контактами К4 исполнительного реле (обмотка не показана). Процессор АЦСП по полученному от ОПФ сигналу задаёт инвертору АИ режим преобразования постоянного входного напряжения Е0 в переменное напряжение низкой частоты. Величина сопротивления изоляции сети, по-прежнему, оценивается по величине падения напряжения на сопротивлении R6, пропорционального переменному измерительному току низкой частоты. Возможная асимметрия изоляции полюсов в промежуточном звене постоянного тока преобразователя частоты порождает колебательную составляющую тока, протекающего через инвертор АИ, рост падения напряжения на сопротивлении R6 и, как следствие, увеличение сопротивления срабатывания аппарата защиты. Срабатывание аппарата защиты в режиме РКИ сопровождается появлением на выходе процессора АЦСП сигнала защитного отключения сети (в режиме ПКИ - запрета включения АВ QF1), а также транзитной командой (через определитель ОПФ) на размыкание контактов реле К4 для перевода аппарата защиты в режим ПКИ и предотвращения его повреждения в случае отказа автоматического выключателя QF1. В режиме РКИ процессор АЦСП решает задачи, связанные с обнаружением снижения симметричных сопротивлений изоляции фаз сети: • устойчивости против ложных срабатываний при коммутациях присоединений сети; • быстродействия реакции на дуговые замыкания на землю с понижением напряжения сети до 60 % от номинального значения. 68


Появление несимметричных токов утечки с фаз сети на землю активизирует в аппарате защиты режим ЗШ. В этом режиме решаются задачи: • быстродействия защитного отключения сети; • достоверности определения повреждённой фазы и быстродействия защитного шунтирования ее на землю. Несимметричные токи утечки порождают колебательную составляющую промышленной частоты в напряжении смещения нейтрали и, как следствие, пропорциональную ей колебательную составляющую тока нулевой последовательности через аппарат защиты. Аварийное значение этого тока обнаруживается ОПФ по превышению эталонного значения колебательной составляющей падения напряжения на сопротивлении резистора R7. При обнаружении аварийных токов утечки на землю ОПФ «решает задачу» определения повреждённой фазы и направляет в процессор АЦСП сигнал для формирования команды защитного отключения сети. В течение времени срабатывания исполнительного реле аппарата защиты и автоматического выключателя QF1 сети продолжается определение повреждённой фазы до появления достоверного результата, по которому ОПФ формирует одновременно команду размыкания контактов К4 и команду шунтирования повреждённой фазы одним из сопротивлений R1, R2 или R3 через соответствующие контакты реле К1, К2 или К3 (обмотки не показаны). Электрическая схема аппарата защиты АЗУ.1 (рис. 2.26) позволяет выполнять защитное шунтирование на землю повреждённой фазы в условиях повышенной ёмкости изоляции сети – 2 мкФ на фазу, (в два раза превышающей существующую норму) при сохранении требуемых параметров быстродействия, чувствительности и достоверности защитного шунтирования, устойчивости против ложных срабатываний при коммутациях присоединений сети. При отработке функции защитного шунтирования контроль сопротивления изоляции сети выполняется путём использования постоянного измерительного тока. Этот ток формируется на выходе источника, образованного двухполупериодным выпрямителем VD1…VD4 и сглаживающим конденсатором С1. Питание выпрямитель получает от трансформатора TV1. Суть алгоритма определения повреждённой фазы заключается в выявлении устойчивой принадлежности начальной фазы составляющей промышленной частоты напряжения смещения нейтрали опор69


ному фазовому промежутку величиной около 110°, относящемуся к повреждённой фазе (линии) сети. Такая принадлежность должна наблюдаться дважды за время полного колебания указанной составляющей. Входными сигналами для ОПФ являются падение напряжения на сопротивлении-датчике R14, и напряжения вторичных обмоток трёхфазного трансформатора TV2. Выходные логические сигналы определителя ОПФ управляют включением исполнительных реле К1…К4 в соответствии с описанием работы функциональной схемы аппарата защиты. Цепочки R15C2, R16C3 служат для форсировки срабатывания реле и ограничения тока удержания. Первая группа контактов реле К1…К3 использована в цепях защитного шунтирования фаз сети на землю, а вторая - соединена параллельно и предназначена для управления измерителем времени срабатывания защитного шунтирования.

Рисунок 2.26 - Схема электрическая принципиальная аппарата защиты АЗУ-1

70


Фильтр присоединения ФП к сети (рис. 2.25) образован первичными обмотками трансформатора TV2, соединёнными по схеме «звезда» (рис. 2.26). Общая точка первичных обмоток является искусственной точкой нейтрали сети, через которую протекает переменный измерительный ток. В силу низкой его частоты (около 0,2 Гц) применительно к колебательным процессом в сети промышленной частоты этот ток можно считать постоянным. В режиме ПКИ величина измерительного тока ограничивается резисторами R9…R13. Последовательным их соединением обеспечивается запас прочности по напряжению, т.к. при переходе из режима РКИ к режиму ПКИ падение напряжения на этих резисторах может достигать величины фазного напряжения сети в случае отказа автоматического выключателя сети и существования несимметричных повреждений изоляции фаз. В режиме РКИ искусственная нейтральная точка сети заземлена по переменному току через резисторы R4…R8, R14. Их суммарное значение принято, исходя из условия достижения выявляемости повреждённой фазы при ёмкости изоляции до 2 мкФ на фазу. Последовательным соединением сопротивлений R4…R8 обеспечивается запас прочности по напряжению, которое также может достигать величины фазного напряжения сети в течение времени перехода к режиму ПКИ. Сопротивление изоляции сети, при котором наступает срабатывание аппарата АЗУ-1 (сопротивление срабатывания, Rср) соответствует следующим его техническим характеристикам: – в режиме ПКИ Rср>33 кОм; – при симметричной трёхфазной утечке тока на землю, 1 кОм, в сети напряжения 660 В Rср>19 кОм; собственное время срабатывания – не более 0,1 с; – при симметричной трёхфазной утечке тока на землю, 1 кОм, в сети напряжения 1140 В Rср>33 кОм; собственное время срабатывания – не более 0,07 с. 2.8 ЗАЩИТА ОТ УТЕЧЕК ТОКА НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРОСЕТИ С ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ К шахтным низковольтным электросетям, содержащим выпрямители относятся контактные сети электровозной откатки, а так же ответвления электросети шахтного электровозного гаража, содержащие зарядные, либо зарядно-разрядные устройства аккумуляторных 71


батарей. Для защиты человека от поражения электрическим током и предотвращения опасных утечек тока на землю в таких электросетях применяют специальные аппараты защиты от утечек тока на землю серий РУВ-Зар или РКУ-Зар (рис. 2.27). В схеме аппарата защиты для контроля состояния изоляции сети и отключения её в случае опасной утечки на стороне постоянного тока используется оперативное напряжение частотой 25 Гц, снимаемое с выхода делителя частоты UZ. Это оперативное напряжение прикладывается между землёй и тремя фазами сети через выпрямительный мост VC, заграждающий контур L, С4, R6 и фильтр С1, С2, С3.

Рисунок 2.27 – Принципиальная электрическая схема аппарата защиты от утечек тока на землю РКУ-Зар 1М

72


При отсутствии в сети активных сопротивлений утечки и высоком сопротивлении изоляции по отношению к земле по оперативной цепи аппарата ток не протекает. При снижении сопротивления изоляции как на стороне переменного, так и на стороне выпрямленного тока ток, протекающий по оперативной цепи, возрастает, и реле К срабатывает, формируя команду на защитное отключение контролируемого участка сети. При возникновении однофазной утечки на стороне переменного тока по оперативной цепи кроме тока частоты 25 Гц будет протекать ток, обусловленный напряжением сети частоты 50 Гц. Величина отключаемого сопротивления утечки (при возникновении утечки на стороне выпрямленного тока и номинальном напряжении сети): основная – 5 кОм; резервная – 3 кОм. Уставки отключаемых сопротивлений утечки при её возникновении на стороне переменного тока, номинальном напряжении питания и линейном напряжении U на конденсаторах фильтра – не менее 3 кОм (U=220 В); и не менее 2,4 кОм (U=120 В). 2.9 УСЛОВИЯ ПОРАЖЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА ТОКОМ ПРИ КАСАНИИ НЕТОКОВЕДУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК Прикосновения к оболочкам электрооборудования при его эксплуатации носит массовый характер. Вследствие возможного ухудшения изоляции такая оболочка приобретает потенциал фазы сети, и прикосновение к ней равносильно прикосновению к токоведущей фазе. При этом тело человека Rч активное сопротивление R2, R3, ёмкости неповреждённых С2, С3 фаз образуют замкнутую цепь (рис. 2.28). Одной из наиболее эффективных мер, исключающих (в этом случае) возможность поражения человека электрическим током, является применение защитного заземления. Ток зависит от общего сопротивления цепи и определяется по формуле: Iч =

3U ф 3Rч + Z u

где Zи – сопротивление изоляции.

73

,


Если оболочка электрооборудования установлена на почве, то для протекания тока замыкания (утечки) на землю образуется вторая, параллельная человеку цепь заземления (Rз) (рис 2.28б). Ток замыкания при этом будет равен:

I ут

3U ф

3U ф = = 3Rчел Rз 3R ут + Z u + Zu , Rчел + R p

(2.14)

где Rут - сопротивление утечки, образованной параллельным соединением сопротивлений человека (Rчел) и оболочки относительно земли (Rз). а)

б) А

Б Rч

С С2 R1

С3

Iут

Іу

R2

Rч Із

Іа Хс

Іс

Rз Іч

Рисунок 2.28– Электрическая схема (а), схема замещения (б) прикосновения человека к корпусу, случайно оказавшемуся под напряжением

При этом основная часть тока замыкания (утечки) на землю будет проходить через заземление, а ток через человека будет равен: Rз I ч = I ут ⋅ (2.15) Rч + Rз , Из этого выражения следует, что чем меньше сопротивление заземления и больше сопротивление в цепи человека, тем меньший ток будет протекать через человека. Поэтому для ограничения тока, протекающего через человека, следует заземлять оболочки электрооборудования и другие металлические его части, которые могут оказаться под напряжением вследствие повреждения изоляции. 74


Заземление электрооборудования осуществляют преднамеренным соединением его корпуса с заземляющим устройством. Основными элементами заземляющего устройства являются: искусственный или естественный заземлитель, магистраль заземления (сборная заземляющая шина) и заземляющие проводники [5, 6]. Заземлитель – металлический электрод (группа электродов), находящихся в непосредственном соприкосновении с землёй. Магистраль заземления должна быть связана не менее, чем двумя проводниками с заземлителями в разных местах. Заземляющие проводники применяют для соединения заземляемой части электрооборудования с магистралью (шиной) заземления или заземлителем. При протекании тока через заземлитель на нем и в непосредственной близости от него, возникает потенциал, распределяемый, как показано на рис. 2.29. На заземлителе Ез – он максимален. По мере удаления он уменьшается и на расстоянии 15…20 м может быть принят равным нулю. Крутизна кривой распределения потенциала зависит от проводимости грунта – чем больше проводимость грунта, тем более пологую форму имеет кривая. Сопротивление, которое оказывает току грунт, называют сопротивлением растеканию (сопротивлением заземлителя), и ровно отношению напряжения на заземлителе к току, протекающему через него:

Rз =

Uз Iз

(2.16)

При прикосновении к металлической части с повреждённой изоляцией рука человека приобретает потенциал заземлителя Ез. Потенциал ног Ен зависит от расстояния, на котором человек находится от металлической части. Разность потенциалов между этими точками определяет напряжение прикосновения:

U пр = Е з − Ен

Напряжение прикосновения с учётом кривой распределения потенциала и дополнительных сопротивлений в цепи человека можно определить по формуле:

U пр = U зα1 ⋅ α 2 ,

где α1 – коэффициент напряжения прикосновения (зависит от расстояния между заземлителем и ногами человека и принимается по 75


справочным данным в зависимости от исполнения заземления); α2 – коэффициент, учитывающий падение напряжения в дополнительных сопротивлениях: Rч α2 = Rч + Rоб + R y , где Rоб – сопротивление обуви; Rн – сопротивление опорной поверхности ног.

н

Рисунок 2.29 – Кривая распределения потенциала: Ез– потенциал заземлителя; Е1- Е2 – разность потенциалов на расстоянии шага; I- зона нулевого потенциала; II- зона растекания

При передвижении человека вблизи установки с повреждённой изоляцией ноги могут оказаться под разным потенциалом. Эту разность потенциалов Е1-Е2 (рис. 2.29) называют шаговым напряжением: U ш = Е1 − Е 2 = U з β1β 2 , где β1 – коэффициент напряжения шага, учитывает форму потенциальной кривой, конфигурацию заземлителя и положение относитель76


но земли точки, в которой определяется; β2 – коэффициент, учитывающий сопротивление обуви и опорной поверхности ног. Чем ближе к заземлителю, тем больше β1. В связи с этим ПУЭ и ф ПТЭ запрещают приближаться к уставке с замыканием на землю ближе 4 м в закрытых помещениях и 8 м вне Рисунок 2.30 – Двойное замыкание на землю помещений. В условиях электрификации подземных выработок шаговое напряжение не представляет никакой опасности в отношении поражения электрическим током так, как величина шагового напряжения не превышает 1,5...2 В. Двойные (многоместные) замыкания на землю. При замыкании на землю (через оболочку электроустановки) одной фазы сети на остальных фазах возникают перенапряжения, которые могут привести к пробою их изоляции в другой электроустановке (рис. 2.30.). В системах электроснабжения шахт могут иметь место два характерных случая двойного замыкания на землю: • замыкание на землю через оболочки электрооборудования, имеющие электрическую связь между собой, через Рисунок 2.31 – Схема замещения заземляющие элементы кабепри многоместном замыкании на лей; землю: а) кабельная сеть; б) смешанная сеть • замыкание на землю через оболочки электрооборудования, не имеющие электрической связи между собой (через зазем77


ляющие элементы кабеля заземляющую жилу, оболочку кабеля, например, в смешанных сетях, выполненных воздушными линиями и кабелем). Схема замещения соединений таких замыканий приведена, соответственно, на рис. 2.31а и на рис. 2.31б. При двойных замыканиях на землю протекает ток к.з., зависящий от сопротивления сети и заземлителей. Он может иметь сравнительно большую величину, но в тоже время быть недостаточным для срабатывания максимальной токовой защиты. В результате этого нагреваются проводники (оболочки кабелей, броня, заземляющие жилы), что может привести к пожару, а на металлических элементах связанной цепи могут быть высокие потенциалы, опасные для жизни людей. Соединение оболочек между собой заземляющими элементами (см. рис. 2.31а) кабелей приводит к увеличению тока к.з., который определяется по формуле:

′ = I кз

U c [ Rзэ ⋅ ( Rз1 + Rз 2 )] Rз1 + Rз 2 + Rзэ

(2.17)

Ток, протекающий через человека, в соответствии с рис. 2.31 может быть определен по формулам: • в сети без соединения заземлителей заземляющими элементами кабеля:

I ч′ =

U л ⋅ Rз 2 ( Z ф1 + Z ф2 + R p1 ) ⋅ ( Rз 2 + Rч ) + Rз 2 ⋅ Rч

(2.18)

• в сети с соединением заземлителей заземляющими элементами:

U л ⋅ Rз1 ⋅ Rзэ (219) Rч ( Z ф1 + Z ф2 )( Rзэ + Rз1 + Rз 2 ) + Rзэ ( Rз1 + Rз 2 ) где Rз1, Rз2 – сопротивление заземления в местах замыкания на землю; Rзэ – сопротивление заземляющих элементов кабеля; Zф1, Zф2 – сопротивление фазных проводов; Rч – сопротивление человека. Из сопоставления этих выражений видно, что ток, протекающий через человека, снижается при уменьшении величины сопротивления заземляющих элементов кабеля. Следовательно, для снижения опасности двойных замыканий на землю, заземляющие устройства в электрически связанной сети одного напряжения целесообразно соединять между собой. I ч′′ =

[

]

78


Напряжение оболочек (напряжение прикосновения) электрооборудования, на которых произошло замыкание на землю можно определить по формулам:

U з1 = I з ⋅ Rз1

(2.20)

U з 2 = I з ⋅ Rз 2

(2.21)

При любой комбинации Rз1 и Rз2 напряжение на каждой оболочке является частью линейного напряжения, которое распределяется пропорционально этим сопротивлениям, но всегда будет выполняться условие:

U з1 + U з 2 = U л Таким образом, напряжение прикосновения оболочек вне зависимости от соотношений сопротивлений заземлителей всегда будет представлять опасность электротравматизма. Область применения защитного заземления. Защитное заземление целесообразно применять в таких системах электроснабжения, в которых ток замыкания на землю не увеличивается с уменьшением сопротивления заземления. Его применяют в системах с изолированной нейтралью, где ток замыкания на землю зависит, практически, только от полного сопротивления изоляции и мало зависит от сопротивления заземления [1, 10, 12]. В сетях с заземлённой нейтралью напряжением до 1000 В ток замыкания на землю равен:

Iз =

Uф R0 + Rз ,

где R0 – сопротивление нейтрали; Rз – сопротивление заземлителя. Из этого выражения следует, что напряжение повреждённой оболочки и нулевой точки делятся пропорционально сопротивлениям R0 и Rз [12]:

U з = I з ⋅ Rз U 0 = I з ⋅ R0

Следовательно, снижение сопротивления заземлителя приведёт к увеличению потенциала нулевой точки. При этом напряжение на корпусах исправного оборудования, находящегося вблизи источника (заземлителя нулевой точки) окажется близким к фазному напряжению. 79


При устройстве заземления в такой сети, ток замыкания на землю будет недостаточен для срабатывания максимальной токовой защиты, поэтому замыкание на землю будет продолжительным. Следовательно, защитное заземление в таких сетях не оправдает своё назначение. Поэтому в сетях напряжением до 1000 В c заземлённой нейтралью применяют не защитное заземление, а защитное зануление, когда оболочки электрооборудования соединяют не с заземлителем, а с нулевым проводом источника питания. Нормы на сопротивление заземления. Наибольшая допустимая величина сопротивления заземлителя Rзд, способного предупредить поражение человека электрическим током может быть определена, если в выражение (2.6) вместо Uз подставить допустимую величину напряжения прикосновения Uпр.д.

Rзд =

U пр.д Iз

Сопротивление заземлителей на поверхности шахт принимают в соответствии с ПУЭ в зависимости от напряжения электроустановки. В установках с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В сопротивление заземления не должно превышать 4 Ом. При суммарной мощности источников питания не более 100 кВА сопротивление заземления может быть повышено до 10 Ом. В электроустановках напряжением выше 1000 В с малыми токами замыкания на землю допустимое сопротивление заземлителя определяют по формуле: 250 R зд ≤ Iз Допустимое напряжение на заземлителе в 250 В принято с учётом того, что в таких установках выполняют контурное заземление, коэффициент напряжения мал и эти установки обслуживает высококвалифицированный персонал. Как показала практика эксплуатации таких установок, эта норма обеспечивает достаточную степень безопасности. В остальных случаях, для электроустановок в которых используют электрооборудование напряжением до и выше 1000 В сопротивление заземлителя принимают не более

Rзд ≤

125 Iз ,

но не выше 4 и 10 Ом, соответственно. 80

(2.22)


В электроустановках с током замыкания на землю, более 500 А, сопротивление заземления не должно превышать 0,5 Ом. Если нейтраль трансформатора присоединена к заземляющему устройству, то сопротивление заземлителя не должно превышать 2; 4; 8 Ом, соответственно, при линейных напряжениях 660, 380, 220 В. В подземных выработках величина общего переходного сопротивления в любой точке не должна превышать 2 Ом. 2.10 УСТРОЙСТВО ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ Устройство искусственных заземлителей обходится довольно дорого и требует больших затрат технических и людских ресурсов. Поэтому при решении вопросов устройства заземлителей необходимо, прежде всего, использовать естественные заземлители [5]. К естественным заземлителям относят различные конструкции и устройства, которые по своим свойствам, кроме основных, могут одновременно выполнять и функции заземлителя. В качестве естественных заземлителей используют железобетонные фундаменты зданий и сооружений, водопроводные и другие металлические трубопроводы (кроме трубопроводов горючих жидкостей, газов и чугунных трубопроводов), имеющие надёжное соединение с землёй. В строительных конструкциях, используемых в качестве заземляющих устройств, все элементы металлических конструкций должны образовывать единую электрическую цепь, а в железобетонных элементах (колоннах) должны быть предусмотрены закладные детали для присоединения заземления электрического и технологического оборудования на высоте 0.5 м от пола [14]. Если переходные сопротивление этих заземлителей соответствует нормам ПУЭ, то применение искусственных заземлителей не требуется. В противном случае сооружают искусственные заземлители - специально помещаемые в землю металлические электроды. В зависимости от расположения заземлителей различают выносное и контурное заземление (рис. 2.32). При устройстве выносного заземления (рис. 2.32а, б) заземлители 1 располагают на некотором удалении от заземляемого электрооборудования, которое находится вне поля растекания. При этом человек будет находиться под полным напряжением корпуса Uз относи81


тельно земли. Защита с таким заземлением осуществляется только за счёт малого сопротивления и небольшого тока замыкания. При устройстве контурного заземления (рис. 2.32в, г) заземлители 1 располагают по контуру на небольшом расстоянии друг от друга. Часто при выполнении контурного заземления, внутри контура прокладывают горизонтальные полосы, для выравнивания потенциала внутри контура. Коэффициент напряжения прикосновения α1, при таком заземлении будет много меньше единицы, и, следовательно, напряжение прикосновения будет небольшим. Заземлители могут быть углублёнными, вертикальными и горизонтальными. При устройстве углублённых заземлителей круглую или полосовую сталь укладывают горизонтально на дно котлована с максимально возможным удалением от фундамента. a)

в)

1 2

1 2 3

3 3

б)

г)

Рисунок 2.32– Устройство заземления: а) выносного; б) кривая распределения потенциала выносного заземления; в) контурного; г) кривая распределения контурного заземления; 1 – заземлители; 2 – магистраль заземления; 3 – заземляемое электрооборудования

Для вертикальных заземлителей в качестве электродов применяют круглые стержни длиной 4,5…5 м или угловую сталь длиной 2.5…3 м. Заземлители вворачивают с помощью ямобуров или забивают в дно котлована или траншеи глубиной 0,7…0,8 м непосредственно после окончания рытья. После погружения верхний конец заземлителя должен выступать над дном на 0,1…0,2 м. 82


В горизонтальных заземлителях электроды прокладывают по дну траншей глубиной 0,7…0,8 м. Применяют также комбинированные заземлители из рассмотренных выше. Для заземлителей применяют: круглую сталь диаметром не менее 10 мм, (если сталь оцинкована, её диаметр - не менее 6 мм), полосовую сталь сечением 40×4 мм и угловую сталь 50×50×5 мм. Магистраль заземления должна быть связана не менее чем двумя проводниками с заземлителями, размещёнными в разных местах. Ее выполняют из стальной полосы или из круглой стали сечением не менее 100 мм2 в установках напряжением до 1000 В и 120 мм2 - в установках выше 1000 В. Заземлению или занулению подлежат все металлические оболочки и части электрооборудования, кабелей и воздушных линий, а также металлические части технологического и другого электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции. Для соединения заземляемого оборудования в сетях с изолированной нейтралью применяют специальные заземляющие проводники, которые присоединяют под специальный зажим со знаком заземления. Расчёт заземляющих устройств. Расчёт искусственных заземлителей сводится к определению числа одиночных заземлителей. Размеры заземляющих проводников принимают в соответствии с требованиями ПУЭ (по условиям механической прочности и стойкости к коррозии). Расчёт заземлителей выполняют в следующем порядке [15, 6]. 1. Определяют допустимое сопротивление растеканию тока заземлителя Rз.д. в соответствии с вышеприведенными рекомендациями; 2. Предварительно намечают расположение заземлителей; 3. Определяют сопротивление естественных заземлителей Rе расчётным путём или непосредственным измерением. 4. Определяют необходимое сопротивление искусственного заземлителя Ru с учётом параллельно выключенных естественных:

1 1 1 = − Ru Rз.д Rе

или

Ru =

Rе ⋅ Rз.д Rе − Rз.д

5. В соответствии с методикой [15, 16] определяют сопротивление одиночного заземлителя, в зависимости от его формы и размещения. Так, сопротивление одиночного вертикального заземлителя Rв.о 83


из круглой стали при расположении верхнего конца ниже уровня земли (рис. 2.33) равно: ρ расч ⎛ 2l 1 4t + l ⎞ Rв.о = ⎜ ln + ln ⎟ , (2.23) 2πl ⎝ d 2 4t − l ⎠ где ρрасч – расчётное удельное сопротивление грунта

ρ расч = kкл ρ гр ,

(2.24)

l

t

где kкл – климатический коэффициент, учитывающий высыхание грунта летом и промерзание зимой; ρгр – удельное сопротивление грунта, определённое измерением d или принятое по справочным единым для определённого грунта (глина, песок, чернозём и др.); l, d Рисунок 2.33 – Устройство одиночного вертикального заземлителя – соответственно длина и диаметр заземлителя. 6. Определяют примерное число вертикальных заземлителей:

nв =

Rв.о ки.в.з Rи

(2.25)

где ки.в.з. – коэффициент использования вертикальных заземлителей. Этот коэффициент учитывает увеличение сопротивления заземлителя вследствие экранирования соседних элементов. Его определяют по справочными данными в зависимости от соотношения расстояния между трубами к их длине, размещения и числа труб. 7. Определяют расчётное сопротивление растеканию горизонтальных заземлителей Rг.з., используемых для связи вертикальных заземлителей R Rг.з. = г.э ки.г.з. где Rг.э. – сопротивление растекания горизонтальных электродов, определяемое по аналогии с сопротивлением для вертикальных электродов; ки.г.з. – коэффициент использования горизонтальных заземлителей. 8. Уточняют сопротивление вертикальных электродов с учётом проводимости горизонтальных соединительных электродов, которые уменьшают общее сопротивление заземлителя: 84


Rг.з ⋅ Ru (2.26) Rг.з − Ru 9. Уточняют число вертикальных электродов с учётом уточнённого коэффициента использования Ки.в.з. Rо.в. N= (2.27) К и.в.з ⋅ Rв.э 10. Принимают окончательное число вертикальных электродов. При конструировании заземлителей стремятся к тому, чтобы напряжение прикосновения и шага были минимальными. Достигают это выравниванием кривых распределения потенциала. Rв.э =

2.11 УСТРОЙСТВО ЗАЗЕМЛЕНИЯ В ПОДЗЕМНЫХ ВЫРАБОТКАХ В подземных выработках должны быть заземлены: металлические оболочки электрооборудования и кабелей; металлические части технологического оборудования, которые могут оказаться под напряжением; трубопроводы сжатого воздуха и вентиляционные [6]. а)

б)

Рисунок 2.34 – Устройство местных заземлителей: а) полосового; б) трубчатого; 1 – стальная полоса; 2 – заземляющий отвод; 3 – песок; 4 – труба; 5 - шпур 85


Для заземления подземных электроустановок в шахтах устраивают общую сеть заземления, создаваемую путём непрерывного электрического соединения между собой всех металлических оболочек и заземляющих жил кабелей. Она состоит из главных и местных заземлителей, сборных заземляющих шин и заземляющих проводников. В качестве главных заземлителей используют стальные полосы площадью не менее 0,75 м2, длинной не менее 2,5 м и толщиной не менее 5 мм. Таких заземлителей должно быть не менее двух, размещаемых в разных местах (в водосборнике и зумпфе). Главный заземлитель присоединяют к сборной заземляющей шине ЦПП или электромашинных камер околоствольного двора. Местные заземлители устанавливают у каждой стационарной установки электрооборудования: у РП, КТП, у каждого индивидуально установленного аппарата или машины, у каждой муфты и т.д. Для устройства местного заземления используют стальные полосы (рис. 2.34а), стальные трубы (рис. 2.34б) или металлическую крепь (рис. 2.35). Стальные полосы применяют в обводных выработках, а остальные трубы в сухих. Размеры заземлителей установлены ПБ. Т При использовании металлической крепи (рис. 2.34) преднамеренно соединяют между собой не менее трёх рам крепи гибким проводом 4 или полосой (шиной) 6 из стали или меди, прикрепляемых к раме крепи 1 посредством накладок 3 . При одиночной установке электрические устройства, аппараты, кабельные муфты, машины к местному заземлителю присоединяют непосредственно. Если местный заземлитель устанавливают на группу заземляемых объектов, то применяют сборную заземляющую шину, к которой присоединяют как местный заземлитель, так и каждый подлежащий заземлению объект при помощи отдельного проводника. Заземление должно быть выполнено так, чтобы при отсоединении отдельных аппаратов и машин от заземления не нарушалось заземление остального оборудования. Для передвижных машин предусматривают автоматический непрерывный контроль цепи заземления специальными реле контроля заземления или с использованием схем дистанционного управления силовых коммутационных аппаратов. Для заземления металлических трубопроводов используют местные заземлители электроустановок. Заземляющий проводник присоединяют к трубопроводу при помощи стального хомута. 86


Металлические детали (крючки, кольца, петли, спирали и т.д.) воздухопроводов из гибких вентиляционных труб заземляют путем подвешивания их на металлическом, заземлённом с обоих концов тросе или проводе диаметром не менее 5 мм.

Рисунок 2.35 – Устройство местных заземлителей с использованием крепи: а – соединение гибким проводом (троссом); б – соединение при помощи шины; 1 – рама металлической крепи; 2 – распорный элемент; 3 – накладка; 4 – тросс; 5 – гибкий проводник, 6 – металлическая шина

2.12 ЗАЩИТНОЕ ЗАНУЛЕНИЕ В сетях напряжением 380/220 В на поверхности шахт широко применяют электрические сети с глухим заземлением нейтрали. Нейтраль трансформатора в таких сетях соединяют с заземлителем, расположенным вблизи трансформатора. С целью обеспечения электробезопасности в сетях с заземлённой нейтралью, согласно ПУЭ, применяют защитное зануление. Зануление – преднамеренное соединение металлических нетоковедущих частей электрооборудования, нормально не находящихся под напряжением с глухозаземлённой нейтралью трансформатора. В сетях с заземлённой нейтралью применяют:

87


• нулевой рабочий проводник – проводник, используемый для питания электроприемников и соединённый с глухозаземлённой нейтралью трансформатора; • нулевой защитный проводник - проводник, соединяющий зануляемые части электрооборудование с глухозаземлённой нейтралью трансформатора. При занулении корпуса электрооборудования соединяют не с заземлителями, а с нулевым проводом (рис 2.36). При этом не допускается заземление корпусов без защитного зануления. Замыкание фазы на оболочку электрооборудования в такой сети вызывает ток однофазного короткого замыкания большой величины, определяемый сопротивлением трансформатора ZТ, фазного ZФ и нулевого ZН провода. U I к(1.з). = ZT + ZФ + Z H 3 Этот ток приводит к надёжному быстрому автоматическому селективному отключению повреждённого участка сети. Для обеспечения надёжного автоматического отключения сопротивление фазных и нулевых проводников должно быть таким, чтобы при замыкании на корпус или нулевой защитный проводник возникал ток к.з., способный вызвать срабатывание максимальной токовой защиты. Поэтому сопротивление петли «фаза-нуль» недолжно превышать допустимого значения:

RП ≤ Rд =

UФ kI у ,

(2.28)

где UФ – напряжение фазы, В; Iу – уставка тока срабатывания максимальной токовой защиты ( плавкая вставка предохранителя) ; К – кратность тока к.з. номинальному току плавкой вставки или уставки защиты К≥3 - для тока плавкой вставки или нерегулируемого автоматического выключателя; К≥1,4 - для автоматических выключателей с на номинальный ток до 100 А и К≥1,25 - для выключателей на номинальный ток более 100 А. Сопротивление петли «фаза-нуль» определяют прибором М417 или по методу амперметра-вольтметра. Защитное зануление позволяет также снизить потенциалы корпусов в момент замыкания на землю. В момент замыкания напряжение на корпусе будет равно: 88


U з = I (1) к.з Rп где RП – сопротивление повторного заземлителя. Повторный заземлитель применяют для снижения напряжения на корпусе в момент к.з., особенно при обрыве нулевого провода.

Рисунок 2.36 – Принципиальная схема защитного зануления

Устройство зануления. Нулевой провод должен иметь надёжное соединение, обеспечивающее исправность цепи от каждого корпуса до глухозаземлённой нейтрали трансформатора. В качестве нулевых защитных проводников используют, в первую очередь, нулевые рабочие проводники, заземляющие проводники, металлические конструкции зданий и сооружений, каркасы РУ, стальные трубы, короба и лотки электропроводок и т.п. Полная проводимость нулевого защитного проводника должна быть не менее 50 % проводимости фазного проводника. Для обеспечения непрерывности цепи зануления в цепи заземляющих и нулевых защитных проводников не должно быть разъединяющих приспособлений и предохранителей. Повторные заземления нулевого провода RП устанавливают на вводах в здания, электроустановки которых подлежат занулению на концах линий длиной более 200 м, в середине линии длиной более 500 м. Общее сопротивление повторных заземлителей должно быть не более 10 Ом, а каждого повторного заземлителя не более 30 Ом.

89


Решение примеров Пример 2.1. Определить ток, протекающий через тело человека в сети с изолированной нейтралью при прикосновении: а) к токоведущему проводу; б) к заземлённой оболочке электрооборудования при пробое изоляции одной фазы. Ток через тело человека определим для сети напряжением 1140 В (Uф=660 В) при предельно допустимых параметрах изоляциях сети Ru=60 кОм, ёмкости сети 1 мкФ и сопротивлении заземления 2 Ом. Решение. а) ток через тело человека при прикосновении к токоведущему проводнику (согласно формуле 2.3) равен: Iч =

3 ⋅ 660 = 0.319 А 3 ⋅ 1000 + 3188

Полное сопротивление изоляции равно (формулы 2.1, 2.2): Z = 60000 2 + 3188 2 ≈ 3188 Ом 1 ⋅ 10 6 Хс = = 3188 Ом 314 ⋅ 1

б) ток через тело человека при прикосновении к заземлённой оболочке равен (формула 2.15): 2 = 0.0012 А 1000 + 2 3 ⋅ 660 I ут = = 0.62 А 0 + 3188

I ч = 0.62 ⋅

В первом случае ток, безусловно, опасен для жизни человека, во втором – он значительно меньше длительно допустимого Іч = 1.2 мА < Ідл.д.=6 мА. Пример 2.2. В сети напряжением 660 В с параметрами, приведенными на рис. 2.37, произошло двойное замыкание на землю. Определить напряжение прикосновения к оболочкам электрооборудования для случая, когда нарушена непрерывность цепи заземления. Решение. При двойном замыкании на землю по замкнутой цепи будет протекать ток к.з.: I к . з. =

0.95 ⋅ U н 0.95 ⋅ 660 = = 170.8 А 2 ⋅ Z тр. + Z1 + Z 2 + R з1 + R з 2 2 ⋅ 0.0418 + 0.04 + 0.548 + 1 + 2

90


При таком токе к.з. ни одна из максимальных токовых защит не сработает, так как уставки магнитных пускателей больше тока к.з. Поэтому при отказе защиты от утечек тока такой режим работы сети будет сохраняться длительно. Напряжения прикосновения к оболочкам будут равны (формулы 2.20, 2.21): Uпр.1 = 170.8 · 1 = 170.8 В Uпр.2 = 170.8 · 2 = 341.6 В Такие напряжения прикосновения даже при заземлении, соответствующем норме опасны для жизни человека. Поэтому, ни в коем случае, нельзя допускать работу сети при неисправной работе защиты от утечек. Пример 2.3. Для условий примера 2.2 определить ток, протекающий через тело человека, прикоснувшегося к оболочке электродвигателя № 1 для случаев, когда нарушена непрерывность цепи заземления и когда оболочки электрооборудования имеют непрерывную связь между собой посредством заземляющей жилы кабеля. Решение. При исправной заземляющей сети ток замыкания будет равен (формула 2.17): 0.95 ⋅ 660 ⋅ [0.588 ⋅ (1 + 2)] I = = 308 А к. з.

0.588 + 1 + 2

Как видно, ток замыкания при исправной цепи заземления выше чем при неисправной 308 A > 170.8 A. Защита пускателя ПВИ63 № 2 может отключить повреждённое присоединение. При этом сеть будет работать в режиме однофазного замыкания на землю, при котором будут обеспечены условия электробезопасности. При отказе защиты ток, протекающий через тело человека при исправной цепи заземления, в соответствии с формулой 2.18 будет равен: I ч′ =

660 ⋅1 = 0.127 А (0.04 + 0.548 + 1) ⋅ (2 + 1000) + 2 ⋅1000

Ток, протекающий через тело человека при нарушении непрерывности цепи заземления, будет равен (формула 2.19): I ч′′ =

660 ⋅1⋅ 0.98 = 0.27 А 1000 ⋅ [(0.04 + 0.548) ⋅ (0.98 + 1 + 2)] + 0.98 ⋅ (1 + 2)

Из приведенных расчётов видно, что при непрерывной цепи заземления ток, протекающий через человека, снижается более чем в два раза, но величина его по-прежнему остаётся опасной. 91


КТПВ-400

АВ

Zтр

ПВИ-63 № 2 Іу = 220А

ПВИ-63 № 1 Іу = 375А Кабель КГЭШ 3×10 L1 = 20м

Кабель КГЭШ 3×10 L2 = 260м

Z2 = (2,11⋅ 0,26)2 + (0,073⋅ 0,26)2 = = 0,548 Ом

Z1 = (Rу.д ⋅ L1)2 + (X уд ⋅ L1)2 = = (2,11⋅ 0,02)2 + (0,073⋅ 0,02)2 = = 0,04Ом Электродвигатель № 1

Электродвигатель № 2

Rз1 = 1Ом

Rз2 = 2Ом

Рисунок 2.37– Схема электроснабжения с двойным замыканием на землю

Пример 2.4. Определить переходное сопротивление заземлителя для распределительного устройства ГПП. В здании распределительного устройства установлено электрооборудование на напряжение 6000 В и 380 В. Общая протяжённость кабелей, присоединённых к распределительному устройству, составляет 60 км, воздушных линий – 10 км. Решение. Ток ОФЗ в такой системе составит: I ОФЗ =

U Л ( Lв + 35Lк ) 6 ⋅ (10 + 35 ⋅ 60) = = 36.17 А 350 350

Переходное сопротивление со стороны 6 кВ должно быть в соответствии с формулой 2.12 не более: Rз <

125 = 3.45 Ом 36.17

С некоторым запасом это сопротивление целесообразно принять равным 3 Ом. Такая величина переходного сопротивления достаточна и для установок напряжением 380 В, так как она меньше 4 Ом, требуемых ПУЭ. 92


Пример 2.5. Определить число заземляющих электродов, необходимых для сооружения заземляющего устройства РУ, в котором установлено электрооборудование на напряжение 6000 В и 380 В. Ток ОФЗ в сети равен 23 А. Грунт в месте сооружения заземления – суглинок. Искусственное заземление отсутствует. Решение. 1. Определим величину допустимого переходного сопротивления заземляющего устройства. Со стороны 6 кВ сопротивление заземлителя в соответствии с формулой (2.22) должно быть не более Rз ≤

125 = 5.43 Ом 23

Учитывая, что в РУ установлено также и электрооборудование напряжением 380 В, в соответствии с ПУЭ оно не должно превышать 4 Ом. Поэтому для расчёта принимаем Rз = 4 Ом. 1

2

3

2-3мм

Рисунок 3.38 - Устройство защитного заземления: 1 – здание РУ; 2 – вертикальные электроды; 3 – горизонтальные электроды

2. Для заземления приняты вертикальные стержни длиной 3 м и диаметром 16 мм, расположенные с внешней стороны здания РУ на глубине 0.7 м от поверхности земли и расстоянием между ними 3 м (рис. 2.38). Вертикальные заземлители соединены между собой такими же горизонтальными стержнями сваркой. 3. Расчётное сопротивление грунта (формула 2.23): ρ расч. = 1.4 ⋅100 = 140 Ом·м

4. Сопротивление одиночного вертикального заземлителя будет равно (формула 2.22): Rв.о. =

140 2⋅3 1 4 ⋅ 2. 2 + 3 ⎞ ⎛ ⋅ ⎜ ln + ⋅ ln ⎟ = 44 Ом 2 ⋅ 3.14 ⋅ 3 ⎝ 0.014 2 4 ⋅ 2. 2 − 3 ⎠

93


5. Примерное число вертикальных заземлителей при предварительно принятом коэффициенте kи.в.з.=0,5, согласно формуле 2.27 будет равно: nв =

44 = 22 0.5 ⋅ 4

6. Сопротивление горизонтальных заземлителей равно [13, 15]: ρ расч.г.

l г2 200 60 2 R г.з. = ⋅ ln = ⋅ ln = 22.57 Ом k и . г . з. ⋅ 2 ⋅ π d ⋅ t 0.27 ⋅ 2 ⋅ 3.14 ⋅ 66 0.016 ⋅ 0.708

ρрасч.г. = 2 · 100 = 200 Ом·м lг – длина горизонтального заземлителя; lг =Nв ·l=22·3=66 м; kи.г.з=0,27. 7. Уточняем необходимое сопротивление вертикальных электродов: Rв.э. =

Rг.з. ⋅ Rз. 22.57 ⋅ 4 = = 4.86 Ом Rг.з. − Rз. 22.57 − 4

8. Определяем число вертикальных электродов при уточнённом kи.в.у.=0.47 и Rв.э. = 4.86 Ом по формуле 2.27: Ny =

Rо.в. 44 = = 19.26 k и.в. у. ⋅ Rв.э. 0.47 ⋅ 4.86

Следует принять 20 вертикальных электродов. Пример 2.6. Определить допустимое сопротивление петли фазануль для электрической сети с фазным напряжением 220 В. Для защиты электрической сети от токов к.з. установлен автоматический выключатель А-3711 на номинальный ток 160 А, с уставкой срабатывания по току 400 А. Решение. Допустимое сопротивление петли фаза-нуль может быть определено из выражения: Rп ≤

220 = 0.44 Ом 1.25 ⋅ 400

Для обеспечения надёжного срабатывания защиты от токов к.з. сопротивление петли «фаза-нуль» не должно превышать 0.44 Ом.

94


Вопросы для самоконтроля

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20.

Как действует электрический ток на организм человека? Какими параметрами характеризуется опасность поражения человека электрическим током? Какое влияние на условие поражения электрическим током оказывает режим нейтрали? Почему в шахте запрещается применение электрических систем с заземлённой нейтралью? От каких параметров зависит опасность поражения электрическим током в сети с изолированной нейтралью? Как влияет уровень активного сопротивления изоляции и ёмкость сети на величину тока, протекающего через человека? Какие меры необходимо применять для повышения уровня активного сопротивления изоляции? Как осуществляется компенсация ёмкостного тока утечки? В чем состоит сущность защитного шунтирования на землю повреждённой фазы? Для чего предназначена защита от утечек тока? В чем заключается принцип работы защиты от утечек тока? Какими параметрами характеризуется защита от утечек тока? Какие схемы защиты от утечек тока применяют в настоящее время? В чем состоит сущность применения защитного заземления и защитного зануления? Какая величина переходного сопротивления установлена для заземляющих устройств на поверхности и в шахте? Как рассчитывают защитное заземление для электроустановок поверхности? Как устраивают защитное заземление на поверхности и в шахте? Как выполняют защитное заземление передвижных машин? В чем опасность двойных замыканий на землю? Как устраивают защитное заземление и защитное зануление?

95


РАЗДЕЛ 3 СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОТ АВАРИЙНЫХ И НЕНОРМАЛЬНЫХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК Учебными целями раздела являются обретение студентами знаний относительно специфики возникновения и протекания аварийных и ненормальных режимов работы электрооборудования. Результатом освоения студентами материала раздела является умение анализировать процесс короткого замыкания, рассчитывать токи короткого замыкания в электротехническом комплексе технологического участка шахты, знание особенностей устройства и принципов действия рудничных электрических аппаратов максимальной токовой защиты а также технических средств температурной защиты электрооборудования, защиты от самопроизвольного включения машин и механизмов, защиты от токовой перегрузки электродвигателей потребителей. 3.1 АВАРИЙНЫЕ И НЕНОРМАЛЬНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Безопасная работа электрооборудования может быть обеспечена только в том случае, если оно не повреждено и работает в нормальном режиме, в пределах допустимых параметров. Однако в процессе работы электрооборудования возможны его повреждения, отказы, отклонения, в.т.ч., существенные, от заданных условий эксплуатации. Наиболее распределёнными видами аварийных и ненормальных режимов работы электрооборудования являются следующие: • однофазные замыкания (утечки тока) на землю; • короткие замыкания; • обрыв проводников силовых цепей под нагрузкой; • повышение переходного сопротивления в контактах силовых цепей; • недопустимый (чрезмерный) нагрев электрооборудования вызываемый: длительными перегрузками; частыми, затянувшимися или не состоявшимися пусками электродвигателей, их остановкой под действие внешнего повышенного момента сопротивления (опрокид); отклонениями напряжения выше допустимых значений; рабо96


той электрооборудования в неполнофазном режиме; ухудшением условий его охлаждения; • самопроизвольное включение электродвигателей при восстановлении напряжения или потере управляемости силовых коммутационных аппаратов; • нарушение целостности цепей заземления передвижных машин. Значительное число повреждений электрооборудования, противоречит требованиям по обеспечению безопасных условий его применения в шахтах, приводит к нарушению бесперебойности электроснабжения объектов. Обеспечение безопасности работы электроустановок в условиях горных предприятий достигается проведением системы организационных мероприятий и использованием соответствующих средств защиты. Основными задачами организационных мероприятий является: 1. Предупреждение возникновения аварий и ненормальных режимов электрооборудования и, тем самым, предотвращение его перехода из безопасного состояния в опасное. К этой группе мероприятий относят: расположение электрооборудования в хорошо закреплённых выработках, защита его от механических повреждений и попадания на него воды; правильная подвеска, крепление и зашита кабеля от механических повреждений; соблюдение установленных режимов работы; обеспечение требуемых условий охлаждения электрооборудования и др. 2. Предупреждение развития возникшего повреждения и возможности проявления опасности от него. К этой группе мероприятий относят: применение электрооборудования с негорючими материалами; расположение электрооборудования в хорошо проветриваемых выработках со свежей струёй воздуха; закрепление камер огнестойким креплением; надёжная вентиляция и борьба с пылью; ограничение возможности соприкосновения человека с металлическими частями электрооборудования и др. Смысл применения технических средств защиты заключается в ограничении величины аварийного параметра и быстрого отключения электрооборудования, находящегося в аварийном состоянии. В соответствии с правилами безопасности в системах подземного электроснабжения должны применяться защиты: - защита от утечек тока на землю; - защитное заземление; 97


- максимальная токовая защита; - защита от токовой перегрузки двигателей; - защита от частых пусков и не состоявшихся пусков двигателей; - температурная (тепловая) защита электроустановок; - «нулевая» защита (защитное отключение коммутационного аппарата электроустановки при исчезновении напряжения в сети и недопущение самопроизвольного включения этого коммутационного аппарата при восстановлении напряжения в сети); - защита от потери управляемости силовых коммутационных аппаратов; - контроль сопротивления заземляющей цепи передвижных машин. С целью обеспечения безопасности работы электроустановок каждая система электроснабжения должна быть обеспечена необходимыми защитами, исключающими её функционирование в аварийном или ненормальном режиме. Параметры этих защит должны выбираться такими, чтобы исключилось развитие аварийных или ненормальных режимов, при которых возможно проявление опасностей связанных с возможностью взрыва, пожара на объекте; травмирования человека или поражения его электрическим током. 3.2 ТРЕБОВАНИЯ К УСТРОЙСТВАМ ЗАЩИТЫ Для правильного и своевременного выполнения защитой своих функций к ней предъявляют определённые требования, основными из которых являются следующие. Быстродействие. По условиям безопасности эксплуатации повреждённая электрическая сеть должна быть отключена за возможно меньшее время. Однако, сокращение времени срабатывания защиты связано с её усложнением, а, следовательно, и с повышением её стоимости и снижением надёжности. Поэтому продолжительность выявления устройством защиты аварийного состояния и формирования соответствующей команды на отключение электроустановки должна отвечать критерию безопасности эксплуатации соответствующего вида электрооборудования при поддержании необходимого уровня надёжности защитного устройства Чувствительность – способность защиты реагировать на минимальный (из возможных) аварийный уровень контролируемого па98


раметра электроустановки (электросети). Защита, отличающаяся высокой чувствительностью, позволяет отключать объект на начальной стадии аварийного процесса. Это способствует эффективному предотвращению развития аварии. Обычно аппарат защиты сравнивает фактическую величину контролируемого параметра с предельно допустимой его величиной (уставкой срабатывания), задаваемой в результате соответствующих расчётов. Команда на защитное отключение электроустановки формируется, если контролируемый параметр становится выше предельно максимальной (либо ниже предельно минимальной) величины уставки аппарата защиты. Ряд аварийных процессов характеризуется конкретной, предельно низкой, либо предельно высокой величиной контролируемого параметра, наиболее близкой к уровню принятой контролируемого параметра (при этом, защита реагирует на указанный параметр). Отношение этой величины к уровню принятой уставки защиты называется коэффициентом чувствительности защиты. Коэффициент чувствительности регламентируется нормативными документами. Для максимальной токовой защиты коэффициент чувствительности (Кч) определяется отношением расчётного действующего значения минимального аварийного тока (тока двухфазного к.з. I(2)к.з. в наиболее удалённой точке защищаемой сети) к принятому току уставки (Iу) и, согласно ПБ, этот коэффициент составляет: I к( .2з .)min КЧ = ≥ 1.5 Iу

(3.1)

Селективность (избирательность) – свойство защиты отключать только объект, находящийся в аварийном состоянии из всей совокупности контролируемых объектов, не нарушая работу последних. Селективность может быть осуществлена за счёт различной продолжительности срабатывания или различных по величине уставок контролируемых параметров защитных аппаратов (по иерархии их уровней контроля). Учитывая, большую опасность которую представляют аварийные состояния электроустановок в условиях подземных горных работ, в шахтах, согласно ПБ должны быть предусмотрены защиты электрооборудования мгновенного действия. Поэтому в шахтных подземных электросетях селективность защит схемно не предусмотрена. Она может возникать случайно, например, вследствие 99


большой разности уставок отдельных аппаратов максимальной токовой защиты и разности величин токов к.з. в различных точках электросети. Селективность действия защит для электрических сетей поверхности приобретает важное значение, поскольку этим обеспечивается возможность продолжения эксплуатации ответственных электроустановок в случае аварий и соответствующего защитного отключения второстепенного электрооборудования. Надёжность действия. Защита должна выполнять заданные функции в течение всего времени работы. Высокая надёжность может быть обеспечена применением наиболее простых схем защиты, с высокими параметрами надёжности. Для особо ответственных защит предъявляются требования самоконтроля исправности функциональных элементов схемы. Эта функция предполагает отключение электроустановки или блокировку её включения в случае нарушения целостности (в т.ч., схемы подключения) или отказа элементов схемы защиты. Устойчивость против ложных срабатываний (помехоустойчивость) предполагает, что защита должна реагировать только и исключительно на соответствующие аварийные состояния электрооборудования. В то же время, при контакторной коммутации электрических цепей в электросетях возникают переходные процессы, сопровождаемые кратковременными перенапряжениями. Это, в частности, может приводить к ложным срабатываниям аппаратов защиты и неоправданным отключениям электроустановок. В зависимости от особенностей контролируемых параметров существуют и иные факторы, под влиянием которых возможны ложные срабатывания защитных устройств. Поэтому в схемах устройств защиты должны быть предусмотрены технические решения, препятствующие ложным срабатываниям. Защиту в шахтных электрических установках выполняют в виде автономных устройств или совмещают с основными функциями аппаратов. Типовое устройство защиты имеет следующую структуру (рис. 3.1): Измерительный орган ИО – непрерывно формирует сигнал, пропорциональный величине контролируемого параметра защищаемого объекта.

100


Защищаемый объект

Б

П

ПС

УВ ИспО

ЛО

ИО

С Рисунок 3.1 – Функциональная схема устройства защиты

Преобразователь сигналов ПС – преобразует сигналы, сформированные ИО в вид, удобный для анализа их в логическом органе. В ряде защит преобразователь сигналов может отсутствовать. Логический орган ЛО – производит оценку состояния объекта, как правило, на основании сравнения контролируемого параметра с заданным, соответствующим конкретному режиму работы электроустановки. Он формирует команду для передачи исполнительному органу защиты, если контролируемый параметр объекта идентифицируется с аварийным режимом его работы. Исполнительный орган ИспО – на основе команды логического органа формирует управляющие воздействия УВ на выключатель защищаемого объекта. Исполнительные органы могут быть прямого или косвенного действия. В некоторых случаях в защищаемых устройствах предусматривают резервный исполнительный орган. Например, при использовании максимальной токовой защиты типа ПМЗ, предусмотрено её воздействие не только на нулевой, но и на независимый расцепители автоматического выключателя. Кроме перечисленных, в аппаратах защиты могут быть предусмотрены устройства сигнализации С, проверки П, блокировки Б и др. В некоторых средствах защиты один элемент может выполнить функции нескольких органов. Например, плавкая вставка предохранителя выполняет функции измерительного, логического и исполнительного органов защиты.

101


3.3 ЗАЩИТА ОТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ Причины и виды коротких замыканий. Короткое замыкание (к.з.) это непосредственное соединение между собой токопроводящих элементов электрической сети, находящихся под различными электрическими потенциалами. Электрическое сопротивление между указанными элементами равно нулю. Поэтому ток короткого замыкания обусловлен напряжением источника, создающим разность потенциалов элементов электросети, находящихся в состоянии к.з., и ограничивается активными и индуктивными сопротивлениями источника и участка электросети (например, кабеля) до точки к.з. Учитывая, что указанные сопротивления имеют крайне малые значения, величина тока к.з. очень высока. В условиях шахтных электросетей токи к.з. обычно достигают нескольких тысяч Ампер, а на выходе мощных участковых трансформаторных подстанций они могут превышать 10 – 15 кА (для сравнения, ток электросварочного аппарата находится в пределах 40-60 А при сварке металла и составляет около 100 А при его резке). Существующая тенденция к повышению мощностей электромеханического оборудования технологических установок шахт обусловливает применение более мощных силовых трансформаторов, кабелей большего сечения, т.е. - элементов электросети с пониженными собственными активными и индуктивными сопротивлениями. Это определяет ещё большее повышение токов к.з. в таких электросетях. Такие высокие токи способны вызвать пожар, либо взрыв метано-воздушной смеси или угольной пыли в условиях шахты. Известны случаи, когда вследствие несвоевременного отключения токов к.з., (отказ максимальной токовой защиты) не только воспламенялись кабели аварийного участка сети, но и плавились, выгорали фрагменты стальных рудничных взрывозащищённых оболочек соответствующих силовых коммутационных электроаппаратов. Поэтому к максимальной токовой защите рудничных электроустановок предъявляются высокие требования надёжности и быстродействия. Возможные виды коротких замыканий иллюстрируются табл. 3.1. Токи, напряжения, мощности к.з. обозначаются соответствующим цифровым индексом: (3) – трёхфазное; (2) – двухфазное; (1-1) – замыкание двух фаз на землю; (1) – однофазное к.з. (в сети с заземлённой нейтралью трансформатора). Причиной коротких замыканий являются: механические повреждения изоляции, ее пробой из-за перенапряжения и старения, набро102


сы и схлестывания проводов воздушных линий, ошибочные действия персонала, неправильный монтаж электрооборудования и другие. Для отключения токов к.з. применяют следующие виды максимальной токовой защиты: плавкие предохранители; электромагнитные расцепители максимального тока (максимальные расцепители); релейную максимальную защиту; электрические аппараты, выявляющие режим к.з. по величине амплитуды тока, скорости его нарастания, изменению угла сдвига между током и напряжением сети, содержащей индуктивности и др. Таблица 3.1 – Виды замыканий на землю Схема

Виды к.з. Трехфазное к.з. К(3) (симметричное)

А

А

Двухфазное к.з. К(2) А

Двойное замыкание на землю К(1-1)

А

Однофазное короткое замыкание на землю К(1)

Переходной процесс при коротком замыкании в электрической сети, содержащей индуктивности, характеризуется наличием свободной (апериодической) iп и вынужденной (периодической) iа составляющих тока к.з. iк

iк = in + ia = 2 I n ⋅ sin(ωt − ϕ + α k ) + iao ⋅ e

t Ta

(3.2)

где Iп – действующее значение периодической составляющей тока к.з.; iао – апериодическая составляющая тока к.з. в начальный момент его возникновения; ω = 2πf – угловая частота; φ – фазовый угол сдви103


га тока в цепи к.з.; αк – фаза включения к.з.; Та – постоянная времени цепи к.з.; f – частота сети. Ta =

Xk . ω ⋅ rk

(3.3)

где Хк, rк – индуктивное и активное сопротивление цепи к.з. Диаграммы переходного процесса возникновения к.з. (в момент времени t1) представлены на рис. 3.2. Индексами А; В; С отмечены составляющие токов к.з. соответствующих фаз сети, Imн; Imк - соответственно, амплитуды номинального тока сети (до возникновения короткого замыкания) и установившегося тока к.з., iуд – ударный ток к.з. – первое наибольшее мгновенное значение полного тока к.з. в фазе. i iуд

iкА iпА

iпВ iкB

iпС Imк

iaA Imн

t

iaB iaC

t1

iкC

Рисунок 3.2 – Переходный процесс при коротком замыкании

Периодическая составляющая тока к.з. определяется значением напряжения сети (ЭДС генераторов) и изменяется по гармонической кривой с частотой сети. По окончании переходного процесса (после исчезновения апериодической составляющей тока к.з) установившийся ток короткого замыкания определяется только периодической со104


ставляющей, амплитуда которой Imn=Imк. В сетях неограниченной мощности амплитуда периодического тока в течение всего процесса постоянна. Ударный ток к.з. возникает приблизительно через полпериода после начала короткого замыкания (0.01 с) и равен:

i уд = I mn + I ma ⋅ e

0.01 Ta

,

(3.4)

где Imа – максимальное (начальное) значение апериодической составляющей (экспоненты) тока к.з. Алгебраическая сумма апериодических составляющих фазных токов к.з. равна нулю. Однако, если момент возникновения к.з. приходится на амплитуду периодической составляющей тока к.з., имеет место равенство: Imn=Imа, которое определяет максимально возможную величину ударного тока к.з.

i уд = I mn (1 + e

0.01 Ta

)

(3.5)

или

i уд = I mn ⋅ к уд −

0.01 Та

(3.6)

) – ударный коэффициент, зависящий от постогде к уд = (1 + е янной времени цепи к.з. Его можно определить по графику, приведенному на рис. 3.3. Ориентировочные значения ударного коэффициента для шахтных электрических сетей при к.з. в различных точках могут иметь следующие значения: шины ГПП - 1.8; шины ЦПП - 1.6; зажимы низкого напряжения участковой трансформаторной подстанции - 1.3...1.4; зажимы участкового распределительного пункта 1.05...1.1; зажимы электродвигателя - 1.0. Расчёт токов к.з. выполняют в следующих точках схемы электроснабжения потребителей (технологических установок): - токи трёхфазного к.з. на выходе силовых коммутационных аппаратов (обычно, автоматических выключателей) являются максимальными из возможных токов к.з., проходящих через силовые контакты этих аппаратов. Их определяют с целью проверки коммутационной способности аппаратов, предназначенных для защитного от105


ключения токов к.з.; проверки их, а так же кабелей отходящих присоединений по критерию термической устойчивости к токам к.з. на интервале времени отключения сети; - токи двухфазного к.з. в наиболее удалённых точках сети – на вводах в электродвигатели потребителей являются минимальными из возможных токов к.з. аварийного участка, т.к. ограничиваются сопротивлениями всего кабеля то точки к.з. Их определяют для проверки коэффициента чувствительности максимальной токовой защиты соответствующего пускателя. куд

Та Рисунок 3.3 – Кривая изменения ударного коэффициента Куд в зависимости от постоянной времени Та или отношения х/r участка к.з.

При расчёте токов трёхфазного к.з. коэффициентом 1,05 учитывают возможное повышение напряжения на выходе трансформаторной подстанции на 5 % вследствие соответствующего переключения отпаек трансформатора участковой подстанции. Возможное уменьшение выходного напряжения этой подстанции на 5 % (вследствие аналогичных переключений) учитывают коэффициентом 0,95 при расчёте тока двухфазного короткого замыкания. Действующие значения тока к.з. определяется по формулам: при трёхфазном к.з. I к( 3. з). =

1,05Uн 3Z

(3.7)

при двухфазном к.з. I к( .2з). =

0,95Uн 2Z 106

(3.8)


где Uн – номинальное напряжение сети; Z – полное сопротивление короткозамкнутой цепи, включая сопротивление вторичной обмотки питающего трансформатора и сопротивление кабельной линии до точки к.з. Приведенная продолжительность к.з. Продолжительность отключения к.з. tк определяется длительностью срабатывания защиты tз и отключающего силового коммутационного аппарата tап, т.е. tк=tз+tап. Определение количества тепла выделяемого за это время усложняется тем, что ток к.з. при этом не остаётся постоянным. Для упрощения расчётов используют приведенную продолжительность – время в течение которого установившийся ток к.з. неизменной величины выделяет такое же количество тепла, которое должен выделить фактически проходящий ток к.з. tпп, с за фактическое время существования к.з. Приведенную продолжительность к.з. определяют по формуле: tп = tпп + tпа

β ′′

(3.9)

где tпп; tпа – приведенные продолжительности, соответственно, периодической и апериодической составляющих тока к.з. При tп<5 с параметр tпп определяют по кривым (рис. 3.4) в зависимости от tк и отношения β ′′ начального тока к.з. к установившемуся. При tк ≥5 с параметр tпп определяют по формуле:

Рисунок 3.4 – Кривые зависимости приведенного времени для периодической составляющей тока короткого замыкания

tпп = tп5 + ( t − 5 )

(3.10)

где tп5 – значение tп для tк=5 с. Приведенную продолжительность апериодической составляющей tпа при tк≥1.5Та определяют по формуле: 107


t п.а ≈ 0,05(β′′) 2

(3.11)

При tк <1.5Та :

t па = Т а ( β ′′) 2 (1 − e

2t Tа

)

(3.12)

При продолжительности к.з. менее 1с параметром tпа можно пренебречь. Определяемые величины. При расчёте токов к.з. определяют: 1. I∞ – действующее значение установившегося тока – для проверки электрических аппаратов, шин, проходных изоляторов и кабелей по критерию термической стойкости к токам к.з. 2. Iуд – ударный ток к.з. – для проверки электрических аппаратов, шин и изоляторов на электродинамическую стойкость; 3. Iу1 – действующее значение тока к.з. в течение 1-го периода его существования – для проверки электрических аппаратов на электродинамическую стойкость в течение первого периода процесса к.з.: 4. I0,2 – действующее значение периодической составляющей тока к.з. для продолжительности существования к.з. 0.2 с – для проверки автоматических выключателей по отключаемому току; 5. S0,2 – мощность к.з. для продолжительности существования к.з. 0.2 с – для проверки выключателей по отключаемой ими мощности (для быстродействующих выключателей новых серий продолжительность существования к.з. может быть уменьшена до 0.1 с). 3.4 ЗАЩИТА ОТ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ Плавкие предохранители. Предохранитель представляет собой коммутирующее устройство, автоматически отключающее электрическую цепь при коротком замыкании в ней или ее токовой перегрузке. Основным элементом предохранителя является плавкая вставка 1, расположенная внутри корпуса 2, и соединяющая собой два металлических электрода 3 (рис. 3.5). В зависимости от формы электродов в контактных стойках предусмотрены специальные держатели 4 для их установки. Плавкие вставки изготавливают из легкоплавких материалов: свинца, сплавов свинца с оловом, цинка, меди и др. 108


Действие предохранителя основано на выделении тепла в плавкой вставке при прохождении по ней тока. В нормальном режиме выделяемое в плавкой вставке тепло нагревает саму вставку и корпус предохранителя и рассеивается в окружающую среду. При этом температура вставки не будет превышать температуру плавления. Ток, на который рассчитана плавкая вставка, для длительной работы называют номинальным током плавРисунок 3.5 – Патроны плавких кой вставки. В один и тот же корпредохранителей: а) низкого на- пус можно вставлять плавкие пряжения; б) высокого напряже- вставки на разные номинальные ния токи. Номинальный ток предохранителя - наибольший из номинальных токов плавких вставок, предназначенных для данной конструкции предохранителя. При увеличении тока, протекающего по плавкой вставке, тепло, выделяемое в ней, не успевает рассеиваться, что приводит к повышению ее температуры. При определённом токе (токе плавления) температура плавкой вставки достигает температуры её плавления. Величина тока плавления зависит от: сечения плавкой вставки; её формы; материала; длины; конструкции предохранителя; температуры окружающей среды. При плавлении вставки Рисунок 3.6 – Токовременная образуются дуга, после погасания кото- характеристика плавких прерой происходит разрыв цепи, полное дохранителей ПР-2. время отключения которой равно: to = tпл + tд (3.13) где tпл.- время плавления вставки; tд- время горения дуги. Время плавления плавкой вставки зависит от величины тока в ней и для каждого типа предохранителей определяется по токовре109


менной характеристике, представляющей собой зависимость времени плавления от величины тока, протекающего по плавкой вставке (рис. 3.6). Для снижения времени плавления вставки используют следующие способы: 1. Придают плавкой вставке специальную форму в виде пластин с вырезами уменьшающими её сечение на отдельных участках В суженых участках вставки выделяется больше тепла, чем на широких, при этом, при протекании высоких токов (токов к.з.) тепло не успевает рассеяться к широким частям вставки, что приводит к быстрому ее перегоранию в нескольких суженых местах. В некоторых конструкциях плавкой вставке придают форму при которой электродинамические силы, возникающие при к.з., разрывают ее до того, как она успеет расплавиться. 2. В случае применения плавкой вставки из проволоки на ней могут быть напаяны оловянные шарики 5 (рис. 3.5б). При токах перегрузки, когда температура проволоки достигает температуры плавления олова, шарик плавится и растворяет часть металла проволоки. Происходит местное увеличение сопротивления вставки и снижение температуры плавления металла в этом месте напайки шарика, что ведёт к перегоранию плавкой вставки. Снижение времени плавления вставки обеспечивает токоограничивающую функцию предохранителя. Плавкая вставка перегорает много раньше (іоткл в момент t1), чем ток к.з. достигнет установившегося значения іу (рис. 3.7). Для сокращения времени горения дуги корпус предохранителя изготавливают из газогенерирующего материала или заполняют его специальным кварцевым песком. В первом случае под действием высокой температуры дуги стенки корпуса интенсивно разогреваются, образуя большое количество газа. При этом давление Рисунок 3.7 – Токоогранивнутри предохранителя резко повышаетчивающий эффект плавких ся, что способствует быстрой деионизапредохранителей ции дугового промежутка и быстрому гашению дуги. Во втором случае кварцевый песок поглощает выделяемое дугой тепло, что так же способствует быстрой деионизации внутри предохранителя и гашению дуги. 110


В рудничном взрывозащищённом силовом электрооборудовании предохранители находят ограниченное применение. Их используют в ручных пускателях, для защиты осветительных цепей и др. В месте с тем, предохранители широко используют для защиты искроопасных цепей, питающихся от вторичных обмоток трансформаторов, встроенных в аппараты Плавкие отличаются простотой устройства, дешевизной. К их недостаткам следует отнести: однократность действия, вызывающая необходимость замены плавких вставок при их перегорании; нестабильность токовременных характеристик во время эксплуатации; опасность работы электродвигателей в неполнофазном режиме при перегорании одной плавкой вставки; опасность подачи напряжения на фазу с перегоревшей вставкой через место замыкания. Выбор и проверка предохранителей и плавких вставок. Номинальное напряжение предохранителя должно быть не менее величины номинального напряжения защищаемой электроустановки. Номинальный ток предохранителя должен быть не ниже номинального рабочего тока защищаемой электроустановки. Плавкую вставку предохранителя выбирают из условия, чтобы при наиболее жёстком нормальном режиме работы сети она не перегорала, а при минимальном токе к.з. надёжно отключала повреждённый участок. Номинальный ток плавкой вставки Iв определяют в зависимости от специфики защищаемого объекта. Для защиты электрической сети содержащей двигатели с неодновременным пуском: I I в ≥ н.пуск.m + ∑ I Ност (3.14) 1,6 ÷ 2,5 где Iн.пуск.m – номинальный пусковой ток двигателя максимальной мощности; Σ Iн.ост – сумма номинальных токов остальных двигателей. Для защиты присоединения с одновременным запуском электродвигателей: ∑ I н .пуск (3.15) Iв ≥ 1,6 ÷ 2 ,5 где Σ Iн.пуск – сумма номинальных пусковых токов двигателей Для защиты осветительной нагрузки:

Iв ≥ Iн 111

(3.16)


Для защиты осветительных трансформаторов предохранителями, установленными на первичной сторон: 1,2 ÷ 1,4 (3.17) I н. р Iв ≥ КT где Iв – номинальный ток плавкой вставки, А; 1,6...2,5 –коэффициент, обеспечивающий неперегорание плавкой вставки при пусках электродвигателей с короткозамкнутым ротором, с учётом тепловой инерции предохранителя. Для нормальных условий пуска электродвигателя (редкие пуски и быстрый разгон) его значение следует принимать равным 2.5, а для тяжёлых условий пуска (частые пуски, либо продолжительный разгон) – 1.6...2.5; Iн.р.- номинальный ток электродвигателя или осветительной сети; КТ – коэффициент трансформации трансформатора. Для защиты искроопасных цепей напряжением до 42 В, отходящих от аппаратов (пускатели, станция управления) предусматриваются предохранители, величины тока плавкой вставки которых указываются в инструкции по эксплуатации аппаратов. Выбранная плавкая вставка должна быть проверена по 6 расчётному минимальному току к.з. защищаемой цепи (коэффициенту чувствительности). При этом коэффициент чувствительности должен быть равен (для силовых цепей): I ( 2 ) к . з. min ≥ 4...7 Кч = Iв

Коэффициент чувствительности, равный 4, допускается в сетях напряжением 3801140 В с плавкой вставкой на ток 160 и 200 А, а также в сетях напряжением 127-220 В, не зависимо от величины тока плавкой вставки. Коэффициент чувствительности плавкой вставки для защиты искроопасных цепей напряжением до 42 В должен быть не менее 5. Рисунок 3.8 – Принципиальная схема электромагнитного максимального расцепителя

112


Электромагнитные расцепители максимального тока. Электромагнитные расцепители максимального тока (максимальные расцепители) представляют собой реле прямого действия, а по способу включения их относят к первичным реле, так как их включают непосредственно в силовую цепь защищаемой сети. Они применяются в автоматических выключателях и являются их составной частью (рис. 3.8). При токах в силовой шине – обмотке 2, превышающих ток уставки расцепителя (устанавливается в зависимости от натяжения пружины 4), якорь 5 притягивается к сердечнику 1 и своим бойком ударяет по скобе отключающего валика 6 механизма свободного расцепления автоматического выключателя. Для косвенного контроля работоспособности расцепителя на его магнитопроводе предусмотрена контрольная катушка 3, которая, имея значительное число витков при малом токе создаёт в магнитопроводе расцепителя такой же магнитный поток. как и силовая шина – обмотка 2 при протекании по ней тока к.з. Проверку работоспособности расцепителя осуществляют нажатием соответствующей кнопки, вследствие чего, катушка 3 подключается к источнику переменного напряжения. Максимальные расцепители, применяемые в автоматических выключателях серии А3700 не имеют устройств регулирования уставки срабатывания и проверочных катушек. Они настраиваются на определённый ток срабатывания. К достоинствам максимальных расцепителей следует отнести простоту конструкции, надёжность, высокое быстродействие. Недостаток – значительные отклонения величины тока срабатывания, вызванные нестабильностью параметров стальных пружин. Релейная максимальная токовая защита. Под релейной защитой понимают специальные защитные устройства, выполненные на основе применения реле, воздействующих на силовые коммутационные аппараты при возникновении повреждений в электрической сети. Применительно к устройствам защиты по назначению различают реле измерительные и логические. К измерительным относятся электромагнитные реле мгновенного действия и действующие с выдержкой времени (РТМ, РТВ); электромагнитные реле тока косвенного действия (РТ-40); индуктивные реле тока (РТ-80, РТ-90), полупроводниковые и др. В качестве логических применяют: реле времени для передачи сигналов с установленной выдержкой времени (электромеханические РВМ-12, РВМ-13; 113


электромагнитные ЭВ-200, РВ-100, тиристорные РВ-01 и др.); реле промежуточные для размножения контактов измерительных реле и коммутации цепей с большим током (РП-20, РП-21, РП-250, РП-321 и др.); реле указательные для сигнализации срабатывания релейной защиты (РУ-21,БРУ-4) и др. Основными параметрами схем релейной защиты являются: • ток срабатывания (уставка) защиты и реле (Iс.з., Ic.р.) – минимальные токи первичной цепи и обмотки реле, при которых срабатывает защита; • ток возврата реле (Iвоз.) – максимальный ток, при котором подвижные части реле возвращаются в исходное положение; I • коэффициент схемы ( К сх = Р ) – отношение тока в обмотIТ .Т ке реле (Iр.) к току во вторичной обмотке трансформатора тока в нормальном режиме; в зависимости от схемы соединения вторичных обмоток трансформаторов тока, обмоток реле и вида к.з., ксх может иметь значение 1, 3 и 2; • коэффициент отстройки (К0) вводят для отстройки от ложных срабатываний, которые могут быть вызваны кратковременными перегрузками, погрешностью работы элементов реле и др.; • коэффициент возврата (Квоз.) – отношение токов Iвоз. (напряжения Uвоз.) возврата реле к току Iср. (напряжению Uср.) его срабатывания.. Чем выше Квоз., тем чувствительнее реле. • коэффициент чувствительности (Кч ) – отношение минимально возможного тока к.з. в конце защищаемой линии Iк.min к току срабатывания защиты: I (3.19) К r = к min I С .З • время срабатывания (действия) защиты (tср.). В зависимости от области применения продолжительность времени срабатывания МТЗ может не зависеть от величины тока в защищаемой цепи. Кроме этого, применяются защиты с зависимой от величины тока характеристикой продолжительности срабатывания. Их применение позволяет не реагировать на кратковременные относительно не высокие токи перегрузки, поскольку в этих случаях МТЗ будет срабатывать со значительно большей выдержкой времени, чем в случае возникновения к.з. в защищаемой сети. 114


3.5 МАКСИМАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА РУДНИЧНЫХ НИЗКОВОЛЬТНЫХ АППАРАТОВ К выходу силового коммутационного аппарата, рассчитанного на определённый номинальный ток, могут быть подключены электродвигатели как соответствующей, так и меньшей мощности. Следовательно, могут быть различными величины пусковых токов подключаемых электродвигателей и величины расчётных уставок токов срабатывания максимальной токовой защиты. Это обстоятельство обусловливает необходимость применения в составе силового коммутационного аппарата устройства максимальной токовой защиты с регулированием уставок срабатывания. В современных рудничных низковольтных коммутационных аппаратах (автоматических выключателях, станциях управления, пускателях) применяют полупроводниковую максимальную защиту типа ПМЗ, а в аппаратах устаревшей конструкции – универсальную максимальную защиту УМЗ. Принципиальная схема защиты ПМЗ приведена на рис. 3.9. В качестве преобразователя сигналов защиты ПМЗ приняты трансформаторы тока ТА1-ТАЗ, вторичные обмотки которых соединены в звезду и параллельно обмоткам присоединены резисторы R. Эти же трансформаторы используются как источники питания исполнительного органа защиты – электромагнитного поляризованного реле К. Измерительная часть схемы включает трёхфазный выпрямитель (диоды V7, V8, V9) и делитель напряжения на резисторах R4-R7. В качестве логического органа применено полупроводниковое реле, состоящее и стабилитрона V11, диода V12, резисторов R8, R9, конденсаторов С1, С2, тиристоров V13; V14. Контакты К1 поляризованного реле К включают в цепь катушки контактора в магнитных пускателях или в цепь нулевого расцепителя в автоматических выключателях, контакты К2 этого же реле включают в цепь сигнальной лампы. Поляризованное реле К выполняет также роль блокировочного органа т.к. после срабатывания его якорь остаётся в притянутом состоянии. Возврат реле К (деблокирование) в исходное состояние осуществляют подачей напряжения на его дополнительную обмотку от трансформатора собственных нужд силового коммутационного аппарата при нажатии соответствующей кнопки, толкатель которой расположен снаружи силового коммутационного аппарата. Параллельно реле К можно включать резервный исполнительный орган. В автоматиче115


ских выключателях для этого используют независимый расцепитель QF1.

а

3

2

Рисунок 3.9– Полупроводниковая максимальная защита ПМЗ а - принципиальная схема; б – внешний вид устройства ПМЗ 1- корпус; 2- тумблер «РаботаПроверка»; 3 – регулятор уставок

1

б

Ток срабатывания (уставку) защиты регулируют переменным резистором R5, включённым в одно из плеч делителя напряжения. Переменный резистор R7 используют в качестве подстроечного. При возникновении в защищаемой сети тока, превышающего уставку защиты, напряжение на плече делителя с резисторами R6 и R7 превышает величину напряжения стабилизации стабилитрона V11. В результате, на управляющий электрод тиристора V13 подаётся ток, вызывая его отпирание и подачу тока на управляющий электрод тиристора V14. Последний отпирается, что приводит к срабатыванию реле К, которое переключением своих контактов приводит к отключению силовой коммутационный аппарат. Проверку работоспособности защиты производят при пуске электродвигателя. Для этого переключатель SA устанавливают в положение «Проверка», при котором общая точка выпрямителя (V2, V4, 116


V6) с резисторами (R1-R3) будет отсоединена от вторичных обмоток трансформаторов тока (ТА1-ТА3). При этом на измерительную часть схемы напряжение подаётся не с параллельно соединённых резисторов R и R1; R и R2; R и R3, а с резисторов R, что повышает чувствительность защиты. В результате этого защита будет срабатывать от пускового тока двигателя, подключенного к выходу силового коммутационного аппарата. Блок защиты ПМЗ выполнен быстросъёмным (рис. 3.9б). Для установки номеров уставок защиты (посредством рукоятки регулятора 3) принят следующий принцип: первая уставка ПМЗ соответствует току, в два раза большему номинального тока коммутационного аппарата; каждая последующая уставка равна предыдущей плюс половина номинального тока коммутационного аппарата. Так для пускателя с номинальным током 250 А ток, ток первой уставки составляет 500 А; второй – 625 А и т.д. Всего защита ПМЗ содержит девять уставок срабатывания. Защита УМЗ предназначена для эксплуатации в составе силовых коммутационных аппаратов (пускателей, станций управления). Электрическая схема устройства защиты собрана в едином блоке и подключена входами к выходам трансформаторов тока коммутационного аппарата (рис. Рисунок 3.10 – Принципиаль- 3.10). Схема защиты состоит из двух ная схема максимальной то- одинаковых цепей, каждая из которых ковой защиты УМЗ. включает трансформатор тока ТА, шунтирующий Rш, проверочный Rп и регулировочный R2 резисторы, выпрямительный мост VD1-VD4 (VD5-VD8) и исполнительное электромагнитное реле постоянного тока К. Последнее совмещает функцию измерительного и исполнительного элемента защиты. В режиме «Работа» резисторы Rп подключены тумблерами S параллельно шунтирующим резисторам Rш, Ток вторичной обмотки трансформатора тока ТА, определяемый первичным током и коэффициентом трансформации трансформатора ТА, создаёт на шунтирующей цепи активных сопротивлений падение напряжения. Которое через выпрямительный мост подаётся на обмотку реле К (реле напряжения). Уставка срабатывания защиты регулируется резистором R2, включенным по реостатной схеме. Действие защиты проверяют поочерёдно для каж117


дого канала защиты. С этой целью переключателем S отключают резистор Rп от резистора Rш. В результате существенно увеличивается сопротивление нагрузки трансформатора тока ТА, и падение напряжения на шунтирующем резисторе при протекании по первичной цепи трансформатора тока пускового тока двигателя становится соизмеримым с падением напряжения на сопротивлении нагрузки трансформатора тока при к.з. в защищаемой линии в рабочем состоянии канала защиты (когда резисторы Rп и Rш. включены параллельно). Таким образом, в режиме «Проверка» УМЗ срабатывает от пускового тока двигателя, подключенного к силовому коммутационному аппарату. Параметры защиты приняты такими, что магнитный поток в исполнительном реле при переходных процессах вызванных пусковыми токами электродвигателя не достигает потока его трогания. Это позволяет настраивать уставки срабатывания защиты по фактическому пусковому току, что значительно расширяет зону её действия. В устройстве УМЗ применена механическая блокировка якоря исполнительного реле, которая препятствует возврату якоря реле в исходное состояние после срабатывания защиты. Деблокировку УМЗ выполняет персонал нажатием на кнопку деблокировки соответствующего канала защиты, расположенную на лицевой панели корпуса блока УМЗ. Расчёт уставки срабатывания максимальной токовой защиты производят в зависимости от специфики объекта контроля. Если защита (УМЗ или ПМЗ) применяется в составе пускателя и контролирует отходящее к асинхронному двигателю кабельной присоединение, то расчётный ток уставки I уст.р определяют по формуле:

Iуст. р = 1,2 Iн.пуск ,

(3.20) Максимальная токовая защита (ПМЗ) автоматического выключателя должна позволить включить потребитель участка с максимальным пусковым током двигателя (I н.пуск.m ) при условии, что все остальные двигатели потребителей включены:

Iуст. р = 1,2( Iн.пуск.m + ∑ Iн.ост.) ,

(3.21) где I н.пуск – номинальный пусковой ток двигателя, (совокупности двигателей), подключенного к пускателю; Σ I н.ост – сумма номинальных токов остальных двигателей участка (кроме двигателя, имеющего максимальный пусковой ток). В дальнейшем принимают уставку максимальной токовой защиты, ближайшую большую к расчётной. 118


3.6 ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ ТОКОВАЯ ЗАЩИТА Дифференциальную токовую защиту широко применяют для защиты электроустановок с сосредоточенными параметрами (трансформаторов, электрических машин) и коротких линий (продольная дифференциальная токовая защита), а так же для защиты параллельных линий (поперечная дифференциальная токовая защита). Принцип действия продольной дифференциальной защиты основан на сравнении токов в начале и в конце защищаемого участка. Для этого в начале и в конце защищаемого участка устанавливают трансформаторы тока ТТ с одинаковыми коэффициентами трансформации КТ.Т (рис. 3.11). ТТ каждой фазы в начале и в конце защищаемого участка соединяют последовательно и подключают токовое реле РТ. В качестве токовых можно использовать реле типа РТ-40, реле с насыщающимися промежуточными трансформаторами (РНТ-565), реле с торможением (ДЗТ-11, ДЗТ-13). •

В обмотках реле протекает ток I P , равный геометрической раз-

Рисунок 3.11 – Продольная дифференциальная токовая защита. •

ности вторичных токов I IB и I IIB : •

I P = I IB − I IIB

(3.22)

При отсутствии повреждения на защищаемом участке сети, а так же при замыкании вне защищаемого участка (точка К1) токи в обмотках ТТ равны между собой и ток в обмотке реле РТ, с учётом принятых положительных направлений и полярности ТТ, практически отсутствует (он равен току небаланса): •

I P = I IB − I IIB ≈ 0 119

(3.23)


В этом случае реле не срабатывает. При коротком замыкании в зоне защищаемого участка (точка К2) по обмотке реле будет прохо•

дить только ток I IB от трансформатора тока 1ТТ. Если величина этого тока больше величины тока срабатывания (уставки) реле, то защита срабатывает и выдаёт команду на отключение повреждённого участка. Поперечную дифференциальную защиту устанавливают на параллельных линиях. Трансформаторы тока соединяют между собой на разность токов (рис. 3.12). Принцип действия защиты основан на сравнении токов одноименных фаз одного конца параллельных линий. Ток в реле защиты РТ равен разности вторичных токов ТТ первой и второй линий. •

I P = I 1B − I 2 B

(3.24)

Рисунок 3.12 – Поперечная дифференциальная токовая защита сдвоенной линии.

При внешнем коротком замыкании (точка К1), а так же, при нормальных условиях, в реле протекает только ток небаланса, недостаточный для срабатывания защиты. При коротком замыкании в од•

ной из линий (точка К2) токи I 1 и I 2 не будут равны. Следовательно через реле будет проходить ток равный разности токов ТТ •

I P = I 1B − I 2 B , обусловленный первичными токами I 1 и I 2 . Этот ток достаточен для срабатывания защиты. При коротком замыкании на определённом участке в конце линии защита отказывает в действии, поскольку разность токов по мере перемещения короткого замыкания вдоль линии уменьшается и становится меньше тока срабатывания защиты. Поэтому поперечная 120


дифференциальная защита не может быть единственной. Она так же не пригодна для параллельных линий, присоединённых к шинам через самостоятельные выключатели, так как не выявляет повреждённую линию. Ток срабатывания поперечной дифференциальной токовой защиты должен быть отстроен от тока небаланса и максимального рабочего тока обоих линий для предотвращения ложных отключений. Дифференциальная токовая защита обладает абсолютной селективностью, высокой чувствительностью, является быстродействующей, так как не требует выдержки времени, а при выборе тока срабатывания не учитывает токи нагрузки. 3.7 ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Наряду с витковыми короткими замыканиями обмоток, причинами нагрева электродвигателей до недопустимо высоких температур могут быть их частые пуски (с незначительными интервалами между ними), ухудшение эффективности охлаждения (поломка лопастей вентилятора двигателя; обрушение горной массы на двигатель), отклонения напряжения питания от номинальной величины; чрезмерное увеличение момента сопротивления (перегрузка) со стороны рабочего органа. В процессе эксплуатации электродвигателей и трансформаторов применяют защиту с непосредственным контролем температуры их обмоток Эффективность температурной защиты оценивают динамической погрешностью измерения температуры обмотки ∆Θд: ∆Θд = Θобм – Θт.д (3.25) где Θобм – температура обмотки; Θт.д – температура термодатчика. При небольших перегрузках температура термодатчика мало отличается от температуры обмотки Θобм и, следовательно, динамическая погрешность измерения температуры обмотки при таких перегрузках незначительна. С ростом нагрузки увеличивается и динамическая погрешность измерения температуры, достигая максимального значения в режиме к.з. электродвигателя. В этом режиме она равна:

ΔΘТД = ΘОБМ − ΘТД = b ⋅ TТД ( 1 − e

t TNL

) (3.26) где b – средняя скорость роста температуры в обмотке, ˚С/с; ТТД – постоянная времени датчика, с. 121


В соответствии с (3.26), динамическая погрешность измерения температуры пропорциональна скорости роста температуры в обмотке и постоянной времени датчика, и в установившемся режиме составляет: (3.27) ΔΘ УД = b ⋅ TТД Для защиты от недопустимого нагрева обмоток рудничных электродвигателей и трансформаторов применяют термодатчики дифференциальное температурное реле ДТР-3М (рис. 3.13), реагирующее как на температуру защищаемого объекта, так и на скорость ее нарастания. В перегрузочных режимах уставка срабатывания защиты автоматически уменьшается с увеличением кратности перегрузки, что повышает эффективность действия защиты. Уставки срабатывания ДТР-3М по температуре составляют 120, 160 и 180 ˚С. Регулирование уставок выполняют винтом 10, а регулирование скорости срабатывания вином 3. Устройство ДТР-3М смонтировано в теплостойком пластмассовом корпусе 1 с медной теплопроводной крышкой 2. Внутри корпуса размещены: • теплочувствительный элемент из двух термобиметаллических пластин 4 и 5. Для улучшения теплообмена пластина 4 расположена непосредственно на крышке 2, а пластина 5 на некотором расстоянии lТ от пластины 4, которое выбирают из условия реагирования датчика на минимальную скорость роста температуры. • контактная группа из пластин 5, 6; контактов 7, 8 и изоляционной прокладки 9. Термодатчик ДТР-3М устанавливают так, чтобы теплопроводящая крышка 2 находилась в непосредственном тепловом контакте с контролируемым объектом. Контактную группу 5-6 включают последовательно в цепь дистанционного управления пускателем контролируемого объекта. В зависимости от вида перегрузки нагрев электрооборудования может быть медленным (продолжительные технологические перегрузки) или интенсивным (застопоренный ротор двигателя; межвитковые замыкания). В первом режиме температурный перепад между пластинами 4 и 5 незначителен и их изгиб в сторону винта 10 одинаков. Когда температура контролируемого объекта достигнет значения уставки движение пластины 5 останавливается винтом 10 и под действием пла122


стины 4 с винтом 3 происходит размыкание контактов 7 и 8, включенных в цепь управления коммутационным аппаратом. При этом электропитание контролируемого объекта будет отключено.

Рисунок 3.13 – Дифференциальное температурное реле ДТР-3М

Второй режим характеризуется интенсивным ростом температуры объекта, вследствие чего имеет место значительный перепад температур между пластинами 4 и 5. Поэтому пластина 4 изгибается в значительно большей степени, чем пластина 5, что приводит к ускоренному размыканию контактов 7 и 8. С повышением скорости роста температуры объекта понижается уставка срабатывания зашиты. to

to

to

2

to

3

1

Рисунок 3.14 – Схема терморезисторного датчика тепловой защиты асинхронного двигателя

Практика эксплуатации выявила недостаточную надежность термореле ДТР-3М. Это связано с наличием контактных соединений в конструкции устройства, вибрациями объекта контроля (если таковым является двигатель). Поэтому в настоящее время асинхронные 123


двигатели оснащаются терморезисторной тепловой защитой (рис. 3.14). Датчик этой защиты представляет собой соединённые последовательно четыре терморезистора 1 проводниками 2. В каждом двигателе устанавливается два терморезисторных датчика, предназначенных, соответственно, для включения выводами 3 в цепь блока индикации тепловой перегрузки двигателя (предварительная защита, предусматривается в современных схемах силовых коммутационных аппаратов) либо в цепь блока, формирующего команду на отключение контактора силового коммутационного аппарата (аварийная защита). Диапазон изменения сопротивления терморезисторного датчика обычно находится в пределах 200 Ом (холодный двигатель) – 10 кОм (тепловая перегрузка двигателя). 3.8 ЗАЩИТА ОТ САМОПРОИЗВОЛЬНОГО ВКЛЮЧЕНИЯ МАШИН И МЕХАНИЗМОВ Случайное включение машин и механизмов может привести к их повреждению, травмированию обслуживающего персонала. Такое включение может произойти в случае восстановлении в сети напряжения (после его снятия) при неразъединённых силовых контактах коммутационных аппаратов, либо в случае повреждения цепей дистанционного управления этими аппаратами. Для предотвращения непредвиденного включения машин применяют нулевую защиту, а в схемах дистанционного управления силовыми коммутационными аппаратами предусматривают функцию защиты от потери управляемости. Кроме того, схемы аппаратов исключают их самопроизвольное включение при полуторакратном повышении напряжения в сети. Нулевая защита – защита, которая производит отключение электрического аппарата при исчезновении напряжения в сети или значительном его снижении и не допускает самопроизвольное включение этого аппарата при восстановлении напряжения в сети. Включение аппарата после срабатывания нулевой защиты возможно только персоналом. В пускателях такая защита осуществляется контакторными катушками и схемой дистанционного управления; в автоматических выключателях нулевыми расцепителями; в высоковольтных КРУ - реле напряжения. Защита от потери управляемости. Включение большинства рудничных силовых коммутационных аппаратов осуществляется с использованием схем дистанционного управления ими. Дистанцион124


ное управление выполняют с помощью отдельного вынесенного или встроенного в машину поста управления. Пост управления с коммутационным аппаратом соединяют посредством вспомогательных жил силового кабеля или контрольным кабелем. При эксплуатации возможны повреждения этих цепей и схемы поста управления (обрыв или замыкание проводников). При этом возможны ситуации, когда силовой коммутационный аппарат может самопроизвольно включиться, либо его нельзя будет отключить с поста управления, если он был ранее включен. В связи с этим, схемы дистанционного управления силовыми коммутационными аппаратами выполняют функцию защиты от потери управляемости. При любых видах повреждения они не допускают самопроизвольное включение аппарата и позволяют всегда отключить его. Схема управления, поясняющая принцип защиты о потери управляемости, состоит из трансформатора TV, промежуточного реле К и кнопочного поста, включающего кнопки «Пуск» S1, и «Стоп» S2, шунтирующего резистора Rш и диода VD. Такие схемы могут быть трёхпроводными и двухпроводными (рис. 3.15).

Рисунок 3.15 – Схемы управления с защитой от потери управляемости

Защитные свойства схемы обеспечиваются применением промежуточного реле К постоянного тока и размещением в кнопочном посту выпрямительного диода VD. Поскольку реле К работает на постоянном токе, то при разомкнутой кнопке S1 «ПУСК» оно будет обтекаться переменным током и не сработает. При нажатии кнопки 125


«ПУСК» промежуточное реле К включается параллельно с диодом VD, и через обмотку реле будет протекать однополупериодный постоянный ток достаточный для его срабатывания. Своим контактом это реле выдаст команду на включение силового коммутационного аппарата. Контактор последнего своим слаботочным контактом КМ замкнёт цепь шунтирующего резистора Rш. При этом обмотка реле К будет обтекаться постоянной составляющей тока пониженной величины, но достаточной для удержания якоря реле К во включенном состоянии. При любом повреждении цепи дистанционного управления промежуточное реле К будет отключено. При обрыве цепи диод VD будет отключен, а обмотка реле будет обтекаться переменным током, при котором реле не работает. При замыкании между проводниками цепи дистанционного управления реле К будет зашунтировано и обесточено. Трёхпроводная схема исключает опасность самовключения промежуточного реле К, так как в ней в отключенном состоянии цепь поста дистанционного управления всегда разомкнута вспомогательным контактом КМ контактора коммутационного аппарата и кнопкой «ПУСК». В двухпроводной схеме шунтирующий резистор Rш постоянно включен параллельно кнопке «ПУСК», обеспечивая протекание по обмотке реле К постоянной составляющей тока (тока удержания), не достаточной для включения указанного реле. Устойчивая работа двухпроводной схемы обеспечивается только при стабилизированном электропитании схемы управления силовым коммутационным аппаратом. В схеме дистанционного управления в качестве проводника, электрически связанного с заземлённым корпусом силового коммутационного аппарата (одного из проводников, соединяющих схему этого аппарата с кнопочным постом), может быть использована заземляющая жила кабеля. Её повышенное сопротивление, либо отсутствие контакта с заземлённым корпусом силового коммутационного аппарата в этом случае будут аналогичны разъединению цепи дистанционного управления кнопкой «СТОП» кнопочного поста. Этим осуществляется качества заземления металлических корпусов электрооборудования (электродвигателей) с использованием заземляющей жилы кабеля. Параметры схемы управления магнитными пускателями подобраны так, что его отключение произойдёт при сопротивлении цепи заземления 50 Ом при напряжении 1140 В и 100 Ом при напряжении 660 В. 126


Все схемы дистанционного управления рудничными силовыми коммутационными аппаратами выполняют искробезопасными. 3.9 ЗАЩИТА ОТ ТОКОВОЙ ПЕРЕГРУЗКИ В условиях эксплуатации технологических установок угольных шахт асинхронные двигатели машин и механизмов могут испытывать перегрузки со стороны рабочих органов технологических установок. В результате действия повышенных моментов сопротивления снижается частота вращения и увеличивается скольжение двигателя, что ведет к повышению потребляемого им тока и росту температуры обмоток. Нагрев электродвигателя, как и любого физического тела, происходит по экспоненциальному закону и определяется выражением: −

t TH

t

) + τ o ⋅ e TH (3.28) где τУ ; τО – соответственно, конечное (установившееся) и начальное значения превышения температуры двигателя над температурой окружающей среды, °С. Кривая охлаждения двигателя описывается уравнением:

τ = τУ ⋅ ( 1 − e

τ = τУ ⋅ e

t TO

(3.29)

где ТН ; ТО – соответственно, постоянная времени нагрева и охлаждения двигателя, мин. На рис. 3.16 приведены графики изменения температуры двигателя при его нагреве τО=0 (кривая 1 ); τО>0 (кривая 2) и при его охлаждении (кривая 3). Постоянная времени нагрева электродвигателя определяется отношением теплоёмкости двигателя (С) к его теплоотдаче (А) в окружающую среду. В зависимости от конструкции и мощности двигателя параметр Тн находится в пределах от нескольких десятков до 100 и более мин. Параметр τУ определяется отношением количества теплоты Q, выделяемой двигателем в единицу времени к его теплоотдаче (А). Таким образом, интенсивность нагрева обмоток двигателя определяется тепловыми потерями в его обмотках, т.е. величиной тока 127


двигателя (рис. 3.17). Токовая перегрузка двигателя может привести к тепловому разрушению изоляции и, как следствие, воспламенению обмотки двигателя, что в условиях шахты – крайне опасно.

Рисунок 3.16 – Кривые нагрева и охлаждения двигателя

Рисунок 3.17 – Кривые нагревания рудничного электродвигателя ВАО 62-4 при перегрузках с холодного состояния: 1 – номинальная нагрузка; 2 – I = 1.2IH; 3 – I = 1.5IH; 4 – I = 2IH.

Предусмотренная для этих случаев защита от токовой перегрузки двигателя не должна допускать его работу, если температура его обмоток превышает допустимые значения. Вместе с тем защита должна, используя перегрузочную способность двигателя, допускать его работу с перегрузкой в течение времени пока температура его обмоток остаётся ниже предельно допустимой. Защита от токовой перегрузки может быть выполнена на реле максимального тока как с независимой, так и с зависимой от тока выдержкой времени. Ток срабатывания защиты от перегрузки отстраивается от номинального тока: I С .З =

kO ⋅ IH kB

(3.30)

где kO – коэффициент отстройки, равный 1.15…1.4; КВ – коэффициент возврата реле. Выдержку времени срабатывания для электродвигателя принимают большей, чем время его пуска, а для трансформатора – на сту128


пень селективности, превышающую выдержку времени максимальной токовой защиты. В качестве примера вторичных максимальных реле тока схем релейной защиты и противоаварийной автоматики может быть рассмотрено реле РТ-40 (рис. 3.18). В составе высоковольтных комплектных распредустройств КРУВ-6 и КРУРН-6. Эти реле выполняют защиту от токовой перегрузки с независимой выдержкой времени, воздействуя на электромагнит отключения силового выключателя. Действие реле заключается в перемещении контактного мостика 4 (замыкающего контактные пластины 8 неподвижных контактов 7) вследствие поворота якоря 10 электромагнита. Обмотки магнитопровода 11 предназначены для подключения к вторичным обмоткам трансформаторов тока защищаемой электроустановки. Вторичный ток этих трансформаторов создаёт магнитный поток электромагнита реле. Уставка срабатывания реле регулируется отпусканием спиральной пружины 2, противодействующей перемещению якоря 10. Реле РТ-40 имеет два диапазона уставок срабатывания, соответственно, при параллельном (диапазон I) и последовательном (диапазон II) соединении обмоток магнитопровода 11. При работе на диапазоне II ток уставки соответствует удвоенному току уставки диапазона I.

Рисунок 3.18 – Конструкция реле тока типа РТ-40 1- втулка; 2 – спиральная пружина; 3 – ось; 4 – контактный мостик; 5 – контактные пружины; 6 – винты; 7 – неподвижные контакты; 8 – контактные пластины; 9 – верхняя цапфа; 10 – якорь; 11 – магнитопровод электромагнита

Одной из широко распространённых является токовая защита от перегрузки электродвигателей (ТЗП). Она работает в схемах силовых коммутационных аппаратов: магнитных пускателей; станций управления. Её принцип действия основан на моделировании теплового состояния двигателя аналогом на базе активно-ёмкостного контура. 129


При этом допускается, что температура обмоток электродвигателя пропорциональна квадрату тока нагрузки I и двигатель нагревается по экспоненциальному закону:

τ = k П ⋅ I 2 ⋅ (1 - e

-

t TH

) (3.31) где kП – коэффициент пропорциональности; ТН – постоянная времени нагрева. Если на контур, со1000 стоящий из резистора и ёмкости, подавать напряжение UВХ пропорциональное квадрату тока нагрузки электродвигателя, то напряжение на ёмкости будет изменяться во вре100 мени по тому же закону, т.е.: -

t TЗ

U C = U BX ⋅ (1 - e ) (3.32) где ТЗ=R·С – постоянная времени заряда активноёмкостного контура. 10 При условии равенства постоянных времени: нагрева электродвигателя и заряда активноёмкостного контура, на2 пряжение на конденсаторе контура будет точно соответствовать температуре 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 обмотки двигателя. Рисунок 3.19 – Времятоковые харакЗащитная характеритеристики устройств токовой защиты стика ТЗП обеспечивает от перегрузки (ТЗП): ее несрабатывание в течение <5 с при перегрузках 6 IH защищаемого объекта; срабатывание в течение <6 мин при перегрузке 1,2 IH защищаемого объекта в холодном состоянии. Это достигается применением двух RC-цепей, моделирующих нагрев двигателя и имеющих различные постоянные 130


времени. RC – цепь с большей постоянной времени моделирует продолжительную перегрузку двигателя относительно небольшими токами (1.2IH). RC – цепь с меньшей постоянной времени и более интенсивным ростом напряжения обеспечивает срабатывание защиты при более высоких (обычно, пусковых) токах. Времятоковая характеристика устройства ТЗП состоит из двух участков (рис. 3.19.): части времятоковой характеристики основного контура (кривая 1), соответствующая токам нагрузки до 1,2IH и дополнительного контура (кривая 2), соответствующего большим токам перегрузки. Измерительная часть схемы ТЗП (рис. 3.20) подключается в вторичным обмоткам трансформаторов тока (ТТЗ) силового коммутационного аппарата посредством контактов 3-6 штепсельного разъёма и содержит делители напряжения из резисторов R2, R3 и R5, R6, активно-ёмкостные цепи R7-C3 и R8-C2, схему «ИЛИ» из диодов VD4, VD5. Исполнительная часть ТЗП получает питание – от трансформатора пускателя напряжением 36 В через контакты 8 и 10 разъёма и выпрямитель VD8-VD11. Она выполнена на основе порогового устройства на однопереходных транзисторах VT1; VT2 и тиристоре VS1 с электромагнитным реле K1.1 в анодной цепи и выпрямителе VD8D11. При работе электродвигателя, подключенного к силовому коммутационному аппарату, напряжение на вторичных обмотках трансформаторов тока через выпрямитель VD1-D3 подаётся на делители напряжения R2-R3 и R5-R6, что приводит к заряду ёмкостей С2 и С3. Если двигатель работает без перегрузки, то напряжение на полностью заряженной ёмкости недостаточно для открывания ключа VT1. В случае повышения нагрузки двигателя (увеличения тока в первичных цепях ТТЗ) происходит дальнейший заряд ёмкостей С2 и С3. При этом, когда напряжение на одной из ёмкостей достигает величины напряжения срабатывания ключа VT1 (на С2 – при затормаживании (стопорении вала) двигателя или затянувшемся его пуске, на С3 – при токах перегрузки двигателя, превышающих 1,2 величины номинального тока, но меньших, чем пусковой ток двигателя), этот ключ (VT1) отпирается и подаёт импульс на управляющий электрод тиристора VS1. Это приводит к включению реле К1.1, которое, в свою очередь, контактом К1.2 воздействует на цепь отключения контактора силового коммутационного аппарата. Установку уставок срабатывания осуществляют резистором R4. Значение уставки У определяют из выражения: 131


У=

I Н . ДВ I Н .ПУСК

(3.33)

Установку уставок срабатывания осуществляют резистором R4. Значение уставки У определяют из выражения: У=

I Н . ДВ I Н .ПУСК

(3.34)

Рисунок 3.20 – Принципиальная схема блока токовой защиты ТЗП.

где IН.ДВ, IН.ПУСК – номинальный ток двигателя и пускателя соответственно. Уставки срабатывания блока промаркированы в относительных единицах от 0.5 до 1.0 с шагом 0.1. 3.10 УСТРОЙСТВА ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ПРИ СТОПОРЕНИИ При затормаживании или затянувшемся пуске асинхронного э двигателя по его обмоткам протекает пусковой, либо близкий к пусковому ток. Это ведет к интенсивному нагреву обмоток и создает опасность теплового повреждения их изоляции. Для контроля работы и защиты асинхронных двигателей горных машин применяется аппарат «Корд». Различают три варианта этого аппарата: 132


- «Корд-1» - для отключения асинхронного двигателя при затормаживании или несостоявшемся пуске; - «Корд-2» - для контроля по току асинхронного двигателя и защиты его от технологических перегрузок; - «Корд-3» - для отключения асинхронного двигателя при затормаживании или несостоявшемся пуске, обрыве одной из фаз, а так же для контроля по току асинхронного двигателя и его защиты при технологических перегрузках. Каждый вариант исполнения имеет два типоразмера: І – мощность АД до 70 кВт; ІІ– мощность АД выше 50 кВт (величины мощностей АД приведены для сети напряжением 660 В). Основным функциональным элементом аппарата «Корд» является трансформатор тока, используемый в качестве датчика с одним («Корд-1») или двумя окнами 1 в магнитопроводе 2 (рис. 3.21). Через которые прокладывают расчётное число витков из жил силового Рисунок 3.21 – Блок питающего кабеля. аппарата КОРД2 К выходу трансформатора тока подключены элементы схемы и исполнительное реле, расположенные в пластмассовом корпусе 2 аппарата. Под съёмной крышкой корпуса аппарата находится переключатель уставок тока срабатывания и зажимы выводов контактов исполнительного реле. Структурная схема аппаратов КОРД приведена на рис. 3.25. Аппаратура работает следующим образом. Ток двигателя измеряется датчиками тока Д1-Д3, преобразуется в пропорциональное напряжение. В аппаратах «Корд1» это напряжение включает ключевую схему К1, а в аппаратах «Корд-2» - непосредственно передаётся на пороговый элемент ПЭ2 через переключатель уставок тока срабатывания S2. В случае, если ток защищаемого двигателя превышает заданное значение, срабатывает пороговый элемент ПЭ и напряжение, стабилизированное элементом СЭ, подаётся на времязадающий элемент ВЭ. При нормальном пуске электродвигателя продолжительность существования пускового тока не достаточна для срабатывания аппарата «Корд-1». В случае стопорения ротора или затянувшегося на бо133


лее, чем на 2.2 с, пуска электродвигателя реле исполнительного элемента ИЭ1 включается и своим размыкающим контактом выключает цепь управления электродвигателем. В последующем и аппарат «Корд-1» возвращается в исходное состояние (готовности к работе). В случае применения аппарата «Корд-2», при возникновении токовой перегрузки (если ток двигателя превышает значение, заданное переключателем S2 и пороговым элементом ПЭ2) , то появляется напряжение на времязадающем элементе ВЭ2, стабилизированное элементом СЭ2. Если перегрузка двигателя продолжается больше времени, заданного элементом ВЭ2, то последний включает ключевую схему К2, которая воздействует на схему совпадения И. При наличии на входе схемы совпадения И. При наличии на её входах одно-

Рисунок 3.22 - Схема функциональная аппарата КОРД

временно сигналов от ключевой схемы К2 и от датчика тока Д3 (при замкнутом состоянии цепей контроля третьей фазы) исполнительное реле ИЭ2 включается и формирует сигнал о потреблении двигателем повышенного тока. Аппарат «Корд-3», схемно представляет собой совокупность аппаратов «Корд-1» и «Корд-2», и выполняет функции каждого из них.

134


1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

Вопросы для самоконтроля Какие аварийные и ненормальные режимы возникают при эксплуатации электрооборудования?, их причины? В чем состоит сущность применения технических средств защиты? Какие защиты применяют в системе электроснабжения шахт? Какие общие требования предъявляют к защитам? Какие причины и виды к.з. проявляются в СЭС? Как протекает переходной процесс при к.з.? В чем состоит опасность к.з.? Какие виды защит применяют от токов к.з.? Как устроены и работают плавкие предохранители?, электромагнитные расцепители максимального тока?, релейная защита? Какую максимальную токовую защиту применяют в рудничном электрооборудовании, её схемы и устройство? По каким схемам выполняют дифференциальную токовую защиту ? Как выбирают и регулируют уставки (вставки) максимальной токовой защиты? Какие защиты применяют от чрезмерного нагрева электрооборудования, их параметры, схемы и конструкция? Для чего применяют нулевую и минимальную защиту? Как осуществляется защита от потери управляемости силового коммутационного аппарата?

135


РАЗДЕЛ 4 КОМПОНОВКА И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПОДСТАНЦИЙ И РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ НА ПОВЕРХНОСТИ ШАХТ Учебными целями раздела являются освоение студентами требований относительно устройства электрооборудования подстанций и распределительных устройств на поверхности шахт. Результатом освоения студентами материала раздела является умение выбирать тип и конструкцию системы сборных шин, а также сопряжённого с ней электрооборудования )изоляторы, реакторы, технические устройства защиты от перенапряжений), определять и проверять их параметры. 4.1 ТИПЫ ПОДСТАНЦИЙ И РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ

Подстанция – электрическая установка для преобразования и распределения электрической энергии, состоящая из трансформаторов, распределительных устройств, устройств управления, вспомогательных сооружений. Подстанции делят на [17]: • главные понизительные (ГПП) – для приёма электроэнергии из энергосистемы, понижения напряжения питания 35 кВ (и выше) до напряжения распределения электроэнергии по шахте 6…10 кВ; • цеховые или трансформаторные (ТП) – для приёма электроэнергии в системе электроснабжения шахты напряжением 6 (10) кВ с последующей трансформацией на напряжения 0.4/0.23 кВ и её распределение в цехе или по шахте; • преобразовательные подстанции (ПП) – для приёма электроэнергии в системе электроснабжения шахты и преобразования электроэнергии переменного тока в электроэнергию постоянного тока при напряжении, требуемом условиями технологических установок. Распределительное устройство (РУ) – установка для приёма и распределения электроэнергии, содержащая коммутационные и защитные аппараты, измерительные приборы, соединительные и вспомогательные устройства и др. РУ подразделяют на: • центральные распределительные пункты (ЦРП) – для приёма электроэнергии из энергосистемы и распределения её между электро136


установками шахты на том же напряжении без трансформации; • распределительные пункты (РП) – для приёма электроэнергии, как от энергосистемы, так и от ГПП на том же напряжении и распределения ее по цеховым подстанциям и электропотребителям.

Рисунок 4.1 – План подстанции 110/6 – 10 кВ

Кроме этого, РУ подразделяют на закрытые (ЗРУ) и открытые (ОРУ) (рис. 4.1). В ЗРУ все электрооборудование располагают в зданиях. ЗРУ сооружают в установках напряжением до 6…10 кВ. В ОРУ оборудование располагают на открытом воздухе. ОРУ строят в установках напряжением 35 кВ и выше. 137


По расположению на территории шахты РУ и ТП делят на встроенные, вписанные в контур основного здания; пристроенные, непосредственно примыкающие к основному зданию; отдельно стоящие, расположенные на определённом расстоянии от других зданий и сооружений. Преимущественное применение на шахтах находят пристроенные или встроенные ТП и РУ. Основными местами их расположения на поверхности шахт являются блоки скипового и клетевого стволов, АБК, угольный склад, котельная и др. При выборе места расположения ГПП учитывают: возможность удобных входов и выходов ВЛ всех напряжений; расположение в пределах общешахтного охранного целика; возможности последующего расширения подстанций. При выборе места расположения ОРУ ГПП необходимо учитывать розу ветров, характер и концентрацию выделяемой угольной пыли и т.п. Минимальные расстояния ОРУ до источников возможного пылеобразования должно быть не менее: до породного отвала – 100 м; до диффузоров вентиляторов, угольных складов и погрузочных пунктов – 50 м; до прочих производственных сооружений – 30 м. Компоновку электрооборудования, монтаж токоведущих частей, ошиновку и установку изоляторов, несущие конструкции, изоляционные и другие минимальные расстояния принимают такими, чтобы обеспечивать безопасное обслуживание оборудования в нормальном режиме работы электроустановки, удобное наблюдение за указателями положения выключателей и разъединителей, уровнем масла в трансформаторах и т.п. В настоящее время компоновка ТП и РУ базируется в основном на применении комплектных и крупноблочных устройств. Для выполнения коммутации в электрических цепях широко применяют комплектные распределительные устройства (КРУ). Основными типами стационарных КРУ являются устройства КУ-10; КУ-10 (рис. 4.2а), камеры КСО-266; КСО-285; КСО-292; КСО-366 и др. Они обеспечивают достаточную доступность обслуживания без снятия напряжения со сборных шин и имеют, как правило, одностороннее обслуживание. Широко применяются комплектные трансформаторные подстанции (КТП) для внутренней и наружной установки (рис. 4.2б). В РУ напряжением до 1000 В применяют панели собственных нужд, распределительные пункты серии, силовые щиты и др. К основному электрооборудованию ТП и РУ так же относятся: система сборных 138


шин, разъединители, выключатели, конденсаторные установки, реакторы, измерительные трансформаторы напряжения и тока, разрядники, средства защиты и управления, измерительные приборы и др. Электрооборудование в закрытых РУ размещают в специальных зданиях.

а

б

Рисунок 4.2 – Комплектные высоковольтные устройства производства Ровенского завода высоковольтной аппаратуры: а – распределительное устройство КУ-10; б – трансформаторная подстанция КТПБР-М-35/10(6) Здания РУ должны обеспечивать удобное обслуживание элементов электроустановок и перемещение электрооборудования при его ремонте и замене. Ширина коридоров, вдоль которых расположено оборудование РУ с приводами выключателей или разъединителей, должна быть не меньше 1,5 и 2 м. При длине РУ менее 7 м они могут иметь один выход наружу. При большей длине необходимо иметь два выхода по концам РУ. При длине более 60 м предусматривают дополнительные выходы с таким расчётом, чтобы расстояние от любой точки коридора до выхода не превышало 30 м. 139


4.2 СИСТЕМА СБОРНЫХ ШИН Система сборных шин (ССШ) предназначена для приёма и распределения электрической энергии между электроустановками и потребителями. Через них передают всю мощность потребителей шахты. Повреждение сборных шин означает прекращение подачи электроэнергии всем потребителям. Поэтому выбору, монтажу и эксплуатации шин уделяют серьёзное внимание. В промышленности применяют схемы с одной или двумя ССШ. Схема с двумя системами сборных шин (рис. 4.3) позволяет ремонтировать сборные шины без перерыва питания потребителей, выделять одну систему шин для испытания оборудования и линий, осуществлять различные группировки цепей и присоединений и быстро восстанавливать питание потребителей при повреждении одной системы шин. Однако, такая ССШ отличается высокой стоимостью, требует специальных блокировок. В связи с этим, на шахтах эти схемы находят ограниченное применение.

QS I CCШ II ССШ QS

Рисунок 4.3 – Двойная система сборных шин. В последнее время повсеместно применяют схемы с одной системой сборных шин. Основным её достоинством является простота и небольшая стоимость. Такие схемы более надёжны, так как требует меньше коммутационных операций, чем при двойной системе, и, следовательно, меньше ошибок при эксплуатации. Одинарную ССШ можно выполнить не секционированной или секционированной (рис. 4.4). В первом случае ССШ можно применять для потребителей третьей категории по бесперебойности электро140


снабжения. Для электроснабжения ответственных потребителей применяют систему секционированных сборных шин. Число секций определяется числом источников питания. Отдельные секции шин соединяют между собой разъединителями или выключателями (рис. 4.4б), а при напряжении до 1 кВ – автоматическими выключателями. Выключатели применяют, когда требуется автоматическое включение резервирования. Каждая секция питается по отдельной независимой линии или от отдельного трансформатора. Секции работают раздельно, и секционный разъединитель (выключатель) нормально выключен. Электроснабжение ответственных потребителей осуществляют по двум линиям, присоединённым к разным секциям. Это позволяет поочерёдно отключать секции для ревизии или ремонта шин при сохранении питания потребителей. При потере питания одной секции ее питание можно восстановить включением секционного разъединителя (выключателя) вручную или автоматически (при применении автоматического выключателя). а)

б)

Рисунок 4.4 – Одиночная система шин: а – простая; б – секционированная межсекционным разъединителем

Раздельная работа секций позволяет ограничить токи короткого замыкания. Поэтому параллельная работа секций недопустима, так как при этом уменьшается сопротивление короткозамкнутой цепи, и увеличиваются токи короткого замыкания. Значительное улучшение качества электрооборудования, повышение его технического уровня и надёжности позволяет применять упрощённые схемы соединения подстанций. Такие схемы выполняют без сборных шин с минимальным количеством выключателей, а иногда и без них. Это уменьшает расход строительных материалов, снижает стоимость распределительных устройств, уменьшает вероятность повреждений, повышает безопасность эксплуатации электрооборудования.

141


Подключение отходящих присоединений к системе сборных шин выполняют по схемам, приведенным на рис. 4.5. Вариант схемы с установкой разъединителей и плавких предохранителей (рис. 4.5а) приемлем только для присоединения измерительных трансформаторов напряжения и разрядников, а так же коротких воздушных и кабельных линий, силовых трансформаторов, ток холостого хода которых соответствует отключающей способности разъединителя. Включение и отключение разъединителей можно производить только после снятия нагрузки на конце воздушных и кабельных линий или на стороне низшего напряжения трансформатора.

QS

QF

Рисунок 4.5 – Схемы подключения отходящих соединений: а - с разъединителем и предохранителем; б - с разъединителем и выключателем; в - с разъединителем, выключателем и линейным разъединителем; г - с разъединителем выключателем и линейным разъединителем с заземляющими ножками Для включения линий питающих электродвигатели, силовые трансформаторы и одиночные тупиковые линии применяют сочетание выключателя с разъединителем (рис. 4.5б). Разъединитель используют для снятия напряжения с выключателя при его осмотрах и ремонтах, и поэтому устанавливают до выключателя. Между выключателем и разъединителем предусмотрена блокировка, исключающая размыкание разъединителя под нагрузкой. При возможности подачи напряжения, со стороны линии устанавливают дополнительно линейный разъединитель (рис. 4.5в). Для защиты работающего персонала от поражения электрическим током при случайной подаче напряжения к месту работы, токо142


ведущие проводники отключенного присоединения должны быть закорочены и заземлены. Для этого применяют разъединители с заземляющими ножами (рис. 4.5г). Конструкции системы сборных шин. Ошиновку распределительных устройств, как правило, выполняют из алюминиевых неизолированных проводников прямоугольного сечения марки ШАТ, изготовляемых из твёрдой алюминиевой проволоки и марок АД31Т или АДО. Медные шины применяют только в особых случаях (агрессивная среда, повышенные требования надёжности работы и т.д.). Их изготовляют мягкими (ШММ) или твёрдыми (ШМТ).

а)

б)

в)

7

7

7

Рисунок 4. 6 – Способы крепления шин: а – однополосных – болтами и планкой; б – многополосных плоских – плашмя; в – многополосных плоских – на ребро; 1 – шина; 2 – верхняя планка; 3 – шпилька; 4 – стальная планка; 5 – нижняя планка; 6 – прокладка из электрокартона; 7 – изолятор

Шины закрепляют на проходных (ИП-10/1000, П-10/1000) или опорных (ОМА-6, ОА-6, ОБ-6) изоляторах с помощью шинодержателей (рис. 4.6) так, чтобы обеспечивалась возможность их продольного перемещения при изменении температуры [18]. При большой длине шин для исключения продольных деформаций на них устанавливают шинные компенсаторы, состоящие из пакета тонких лент. Шинодержатели не должны составлять замкнутый контур вокруг шин, для чего одна из прокладок или все стяжные болты, расположенные по одной из сторон шины должны быть из немагнитного материала. Со143


единяют шины сваркой, а в тех случаях, когда по условиям их эксплуатации необходима их разборка, – болтами. Опорные изоляторы с шинами, как правило, устанавливают на опорных металлических конструкциях. Возможна также их установка на стенах и перекрытиях. Установлен определённый порядок расположения фаз сборных шин: при вертикальном расположении шин фазы А-В-С сверху вниз; при горизонтальном, наклонном или треугольном – более удалённая шина фазы А, средняя - шина фазы В, ближайшая к коридору обслуживания – шина фазы С; ответвление от сборных шин – слева на право А-В-С, если смотреть на шины из коридора обслуживания. В электроустановках шины фазы А окрашивают в жёлтый, фазы В – в зелёный, фазы С – в красный цвета. Выбор и проверка изоляторов. Изоляторы выбирают по номинальному напряжению, роду установки, допустимой механической нагрузке. Проходные изоляторы дополнительно выбирают по номинальному току и току термической стойкости [16,17]. При выборе изоляторов по напряжению необходимо, чтобы номинальное напряжение изолятора Uн.из было не менее напряжения установки Uн.у: Uн.из ≥ Uн.у; При выборе по роду установки необходимо учитывать, для какой установки предназначен изолятор – наружной или внутренней. По допустимой механической прочности изоляторы при расположении шин плашмя выбирают исходя из условия: Fд ≥ Fрасч; Допустимое усилие Fд определяют путём умножения минимального разрушающего усилия на изгиб FРАЗР на коэффициент запаса, равный 0.6: Fд = 0.6 ·Fразр; (дкН) Расчётное усилие Fразр. определяют по формуле: Fразр = 1.76 ·10-2 · i2у ·l/a; (4.1) где iу – расчётный ударный ток, А; l - расстояние (пролёт) между изоляторами, см; a – расстояние между осями смежных фаз, см (рис. 4.8). При расположении шин на ребро должно быть выполнено условие: F’д ≥ kн ·Fд;

144


где kн – коэффициент снижения нагрузки при расположении шин, равный для установок напряжением 6 кВ – 0,8 при высоте шины до 60 мм и 0,7 – более 60 мм. При выборе проходных изоляторов его номинальный ток Iн.из должен быть не менее максимального расчётного: Iн.из≥IР, а ток термической стойкости не менее тока короткого замыкания Iн.т≥Iкз(3). Выбор и проверка шин. Сечение шин выбирают по нагреву длительным максимальным током нагрузки, а проверяют по механической прочности и термической стойкости к токам короткого замыкания [16, 17]. Сечение шины должно быть таким, чтобы протекающий по ней максимальный расчётный ток не вызывал нагрев выше допустимого. Для этого должно быть выполнено условие: kп · Iдоп ≥ IР , (4.2) где Iдоп – длительно допустимый ток для одной полосы при расположении на ребро, А (его величина приводится в справочниках); kп – поправочный коэффициент: kп = k1 ·k2 ·k3; (4.3) где k1 – коэффициент, учитывающий расположение жил плашмя, равный 0.95; k2 – коэффициент, определяющий длительно допустимый ток для многополосных шин; k3 – коэффициент, учитывающий отличие температуры окружающего воздуха от значения +25 °С. Для выполнения условий достаточной механической прочности шин при токах короткого замыкания расчётное механическое напряжение σР не должно превосходить допустимое напряжение на изгиб для данного металла шин: σдоп ≥ σР Расчётное напряжение для однополосных шин равно: FP ⋅ l 2 ; (4.4) σР = 10 ⋅ W где W – момент сопротивления, см3. Для одно- и многополосных шин расположенных: на ребро W = 0.17 · h · b2; (4.5) плашмя W = 0.17 · n · h2 · b; где b и h соответственно толщина и ширина шины. 145


Из формулы (4.5) можно определить расстояние между изоляторами: σ д ⋅10 ⋅W ; (4.6) lд ≤ FP При расчёте многополосных шин, расчётное напряжение σР в материале состоит из напряжений взаимодействия фаз σФ и взаимодействия полос рассматриваемой фазы σп: σР = σФ + σп. Напряжение σФ определяют как для однополосных шин σП, а напряжение σп – по формуле:

σП = где f п = k ф ⋅

i 2у

f п ⋅ lп2 2

2⋅b ⋅ h

;

⋅10 − 2 – усилие, приходящееся на 1 м длины полосы от

b взаимодействия между токами полос пакета; lп – расстояние между прокладками пакета, мм; kФ – коэффициент, учитывающий число полос и соотношение толщины b и ширины h шины. По условиям термической стойкости токам короткого замыкания сечение шины определяют по формуле: S т ≥ α ⋅ I к(3.з). ⋅ t П ; (4.7)

где α – термический коэффициент; I к(3.з). - максимальный ток трёхфазного короткого замыкания; tп – приведенное время отключения. 4.3 РЕАКТОРЫ Реакторы применяют для ограничения тока короткого замыкания в электрической сети в том случае, когда электрические аппараты не соответствуют требованиям по коммутационной способности, а кабели – по термической стойкости. Реакторы выполняют в виде катушек из медного или алюминиевого изолированного провода большого сечения, намотанного на поддерживающие бетонные колонки с изоляторам (рис. 4.7). Реакторы изготавливают для вертикальной, горизонтальной или ступенчатой установки [17, 18]. Они имеют маркировку фаз: В – верхняя фаза, С – средняя, Н – нижняя, Г – горизонтальная, СГ – средняя горизонтальная. При установке реактора строго соблюдают положение фаз (рис. 4.8). Реакторы 146


Рисунок 4.7 - Реактор с вертикальной установкой

выполняют без стальных сердечников, вследствие чего их индуктивность постоянна. При постановке стального сердечника индуктивность реактора была бы большой при рабочем токе, а при токах короткого замыкания вследствие насыщения сердечника мало отличалась бы от индуктивности воздушных реакторов. Реакторы могут быть одинарными (РБ) и сдвоенными (РБС). Сдвоенный реактор имеет дополнительный вывод в середине обмотки. При применении сдвоенных реакторов потери напряжения в реакторе в нормальном режиме примерно в два раза меньше, чем в одинарном. В сдвоенных реакторах необходимо равномерно распределять нагрузки между секциями шин. Схемы соединения реакторов приведены на рисунке 4.9.

Рисунок 4.8 – Виды установки реакторов: а – вертикальная; б -ступенчатая; в – горизонтальная; 1 – реактор; 2 – контактная пластина; 3 – изолятор

Основными параметрами реакторов являются: номинальные напряжения и длительный ток, реактивное сопротивление или реактивность в процентах, потери активной мощности при номинальных условиях, а так же параметры, характеризующие термическую и электродинамическую стойкость реактора. Важным параметром сдвоенного реактора является коэффициент магнитной связи. 147


k CB =

M

=

L1 ⋅ L2

M ; L

где L и M – соответственно индуктивность и взаимная индуктивность, Гн. Реактор создаёт дополнительную потерю напряжения в нормальном режиме эксплуатации: ΔU P = 3 ⋅ I ⋅ X P ⋅ sin ϕ ;

где XP - индуктивное сопротивление реактора, Ом. Применение реакторов, помимо увеличения капитальных и эксплуатационных затрат, вызывает увеличение отклонений напряжения и затрудняет поддержание необходимых его уровней. Возрастают колебания напряжения при пуске электродвигателей. Поэтому реакторы следует применять только в тех случаях, когда ток короткого замыкания в сети выходит за пределы коммутационной способности аппаратов или термической стойкости кабелей.

а) Сборные шины

б)

в)

6 – 10 кВ А

КРУ

21

РБ

РБС А1 1-я секция I

А2 I 2-я секция

РБ КРУ КРУ

Рисунок 4.9 - Схемы включения реакторов: а – на отдельную линию; б – на групповую линию; в – сдвоенного

Выбор реакторов. Реактор выбирают по номинальным значениям напряжения, тока и индуктивного сопротивления и проверяют на электродинамическую и термическую стойкость при коротком замыкании [16, 17]. При выборе реактора по номинальному напряжению UH.P и току IH.P должно соблюдаться условие: UH.P = UC; IH.P ≥ IP.M;

148


где UC – номинальное напряжение сети; IP.M – максимальный расчётный ток, А. После выбора реактора по напряжению и по току определяют его индуктивное сопротивление XH.P. Это сопротивление выбирают исходя из условия, что при коротком замыкании за реактором, ток IД.КЗ не должен превосходить допустимого значения по условиям безопасности или по номинальному току отключения коммутационного аппарата. XP ≈ ZД - ZP; (4.8) где ZД – допустимое значение сопротивления короткозамкнутой цепи, ZP - расчетное сопротивления короткозамкнутой цепи. UC ; (4.9) ZД = ( 3) 3 ⋅ I Д .КЗ

Согласно Правилам безопасности допустимый ток короткого замыкания должен быть не более 10000 А. Затем по каталожным данным выбирают реактор с индуктивным сопротивлением ближайшим к расчётному. Электродинамическая устойчивость реактора гарантируется, при соблюдении условия: допустимый ток динамической стойкости

iН . ДИН должен быть не менее ударного тока трёхфазного к.з. iУ( 3) ;

i Н . ДИН ≥ iУ(3) ; Термическую стойкость реактора проверяют секундному току термической стойкости I5, кА. I 5 ≥ I ∞( 3) ⋅

по

(4.10) пяти-

tП ; 5

где tП - приведенное время отключения короткого замыкания. 4.4 ЗАЩИТА ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ Под перенапряжением понимают всякое повышение напряжения в электрической системе по отношению к номинальной его величине. Практический интерес представляют только перенапряжения, опасные для изоляции электроустановок. Надежная работа изоляции обеспечивается только в том случае, если ее прочность превышает возможные максимальные уровни напряжения. Прочность изоляции характеризуется значениями пробивного напряжения при воздействии на изоляцию напряжений промышленной частоты. Соответственно для изоляции каждого вида электрооборудования устанавливают 149


испытательные напряжения. По причинам возникновения перенапряжения разделяют на две группы – коммутационные (внутренние) и атмосферные (внешние). Коммутационные перенапряжения возникают при включении и выключении электрических линий, трансформаторов, при возникновении перемежающейся дуги при однофазных замыканиях на землю, при коротких замыканиях и т.д. Внутренние перенапряжения характеризуются кратностью: K=

U MAX , UH

где UMAX – максимальное напряжение при перенапряжении. Допустимая кратность перенапряжения для электрических сетей 6 кВ не должна превышать 4,6. Уровень внутренних перенапряжений может быть снижен путём надлежащего выбора режима заземления нейтрали, схем электроустановок, применением в выключателях резисторов, шунтирующих контакты, применением устройств релейной защиты, ограничивающих как значение, так и длительность перенапряжений. Надёжная работа электроустановок будет обеспечена, если прочность изоляции превышает возможный уровень внутренних перенапряжений. Учитывая, что для изоляции электрооборудования применяют высококачественные изоляционные материалы, а испытания проводят при 5 – 6 кратном напряжении, в большинстве случаев защита от таких перенапряжений не требуется. Атмосферные (грозовые) перенапряжения возникают при разрядах молнии. Они бывают от прямого удара молнии и индуцированные (набегающие волны перенапряжений). Ток молнии характеризуется амплитудой IM.MAX, продолжительностью импульса ТИ и средней крутизной фронта (скоростью нарастания тока) импульса, равный: a=

I M .MAX , TИ

Зарегистрированы амплитуды токов молнии от сотен ампер до 250 кА, длительность импульса 20 – 80 мкc и крутизна фронта 2 – 50 кА/мкc, напряжение на изоляции провода может достигать 6000 – 7000 кВ. Ток молнии проявляется: • в виде теплового или механического воздействия; • в виде электростатической и электромагнитной индукции (в первом случае на металлических предметах наводятся опасные элек150


трические потенциалы (статическое электричество), во втором – в металлических незамкнутых контурах наводятся ЭДС, что может привести к искрообразованию между отдельными металлическими элементами; • в проникновении электрических потенциалов на различные объекты зданий и сооружений. От грозовых перенапряжений все электрические установки должны иметь специальную защиту [13,15,16,17]. От прямых ударов молнии электроустановки защищают стержневыми молниеотводами, а от набегающих волн перенапряжений – разрядниками различного исполнения. При выполнении электроустановок и осуществлении их защиты важнейшим вопросом является координация изоляции, т.е. установление и обеспечение необходимых соотношений между прочностью изоляции электрооборудования и характеристиками защитных устройств от перенапряжений. При всех возможных режимах электрооборудования прочность его изоляции должна быть выше соответствующих характеристик защитных устройств. Стержневые молниеотводы состоят из: опоры; молниеприемника, представляющего собой стальной стержень сечением не менее 100 мм2 и длиной не менее 200 мм; токоотвода, выполняемого из стали круглого сечения диаметром 6 мм или прямоугольного сечением не менее 48 мм2; заземлителя, выполняемого аналогично защитному. Молниеотвод характеризуется высотой и зоной защиты. Зона защиты молниеотвода – часть пространства, внутри которого здание или сооружение защищено от прямых ударов молнии с определённой степенью надёжности. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода (рис. 4.10) определяется выражением: rX 1.6 , = p⋅ h H −h 1+ H

где р = 1, если Н ≤ 30 м ; p =

5 .5 H

, если Н > 30 м.

При применении нескольких молниеотводов защитная зона значительно увеличивается (рис. 4.10б). Зона защиты нескольких стержневых молниеотводов сравнительно небольшой высоты более выгодна, чем установка одного очень высокого молниеотвода. Тросовые молниеотводы представляют собой стальной трос, подвешенный на опорах воздушных линий над токоведущими проводами и заземлённый у каждой опоры. Сопротивление заземления у 151


каждой опоры не должно превышать 10 Ом. Высоту подвеса грозозащитных тросов принимают такой, чтобы угол защиты α (рис. 4.11) не превышал 20-30°. При угле 30° вероятность поражения линии очень мала; при 20° – практически исключена. Однако следует иметь в виду, что с уменьшением угла увеличивается высота опоры. На П – образных опорах подвешивают два троса. а)

б)

Рисунок 4.12 – Зона защиты: а – одиночного стержневого молниеотвода; б – четырех молниеотводов

Тросовыми молниеотводами по всей длине защищают высоковольтные линии напряжением 110 кВ и выше, выполненные на металлических и железобетонных опорах. На высоковольтных линиях 110-220 кВ, выполненных на деревянных опорах и высоковольтных линиях 35 кВ (не зависимо от материала опор) такую защиту предусматривают на участках 12 км на подходах к подстанциям. Защиту от набегающих волн перенапряжений осуществляют разрядРисунок 4.11 - Тросовые никами. Всякий разрядник состоит из молниеотводы искрового промежутка, диэлектрическая прочность которого меньше диэлектрической прочности изоля152


ции и из дугогасящего устройства, предназначенного для гашения дуги, возникающей после разряда. Искровой промежуток исключает утечку тока через разрядник при нормальной работе электрооборудования. Работа разрядника поясняется рис. 4.12. При достижении напряжением набегающей волны значения, равного импульсному разрядному напряжению UP, разрядник пробивается и, вследствие изменения волнового сопротивления участка сети, напряжение волны снижается. Дальнейшая деформация волны на разряднике и величина остаточного напряжения UОСТ определяются падением напряtмкс жения на сопротивлении разРисунок 4.12 – Характеристика рядника при протекании имработы разрядника пульсного тока. Вслед за импульсным током через разрядник протекает ток промышленной частоты (сопровождающий ток), величина которого ограничивается сопротивлением разрядника. Простейшим типом разрядника является искровой промежуток (рис. 4.13), состоящий из двух электродов 3, один из которых присоединяют к защищаемому объекту1, а второй – к заземлителю 5. Искровой промежуток S пробивается при появлении на нем напряжения, превышающего его импульсное разрядное напряжение, и тем самым защищает изоляцию электрооборудования от пробоя. Разрядная характеристика искрового промежутка зависит от состояния электродов и атмосферных условий. Его срабатывание приводит к возникновению короткого замыкания в сети и, следовательно, - к отключению соответствующей электроустановки, что нежелательно. Поэтому искровые промежутки устраивают в качестве дополнительных средств защиты от перенапряжений на линиях, изоляция которых имеет большой запасом электрической прочности и. В электроустановках, где необходима более надёжная и чёткая работа молниезащиты, применяют трубчатые и ли вентильные разрядники. 153


Рисунок 4.13 - Защитный искровой промежуток. 1 – провод, 2 – болтовой зажим, 3 – металлические электроды, 4 – кронштейн для крепления электрода, 5 – металлическая заземляющая конструкция; S – расстояние между электродами

Рисунок 4.14 – Винипластовый трубчатый разрядник РТВ: 1 – указатель срабатывания; 2 – электрод внешнего искрового промежутка; 3, 5 – пластинчатый и стержневой электроды внутреннего промежутка; 4 – изолирующая винипластовая трубка; 6 – хомуты для крепления разрядника; S1, S2 – внутренний и внешний искровые промежутки.

Трубчатый разрядник состоит (рис. 4.14) из газогенерирующей трубки 4 из фибры (у разрядников типа РТФ) или винипласта (у разрядников типа РТВ), внутреннего дугогасящего промежутка S1 и внешнего искрового промежутка S2. При возникновении перенапряжения оба искровых промежутка пробиваются, и в разряднике устанавливается дуга сопровождающего тока, поддерживаемая рабочим напряжением. Дуга разогревает стенки трубки, вследствие чего происходит интенсивное выделение газов. Давление в трубке повышается и образующееся продольное дутье деионизирует внутренний про154


межуток. В результате, дуга обычно гаснет после первого же прохождения тока через нуль. Трубчатые разрядники хорошо работают только при определённых значениях сопровождающих токов: при малых токах количество генерируемых газов может оказаться недостаточным для обеспечения деионизации; большие токи могут вызвать разрыв трубки вследствие чрезмерного выделения газа. Трубчатые разрядники просты по конструкции и относительно дёшевы. Их применяют для защиты высоковольтных линий на подходах к подстанциям, а также в качестве дополнительных средств защиты изоляции подстанций. Более совершенны вентильные разрядники. Их используют для защиты подстанционной изоляции, трансформаторов и т.д. Изготовляют разрядники станционные РВС, подстанционные РВП, для вращающихся машин РВВМ, с магнитным гашением Рисунок 4.15 – Вентильный разрядник РВМГ и др. РВП – 6: 1 – искровые промежутки; 2 – Вентильные разряднирабочее сопротивление; 3 – фарфоровый ки (рис. 4.15) имеют многокорпус; 4, 6 – нижнее и верхнее гермети- кратный искровой промезирующие уплотнения; 5 – хомут; 7 – жуток 1, выполненный из планка для подключения провода латунных электродов разделённых слюдяными или миканитовыми прокладками и включенный последовательно с ними резистор 2 из винилита или тервита с нелинейной рабочей характеристикой. При повышении напряжения искровые промежутки пробиваются, а электрическое сопротивление резистора снижается и пропускает разрядный ток. При этом напряжение на разряднике снижается, рабочее сопротивление резко увеличивается, а 155


сопровождающий ток уменьшается и при переходе через нулевое значение он прерывается.

Рисунок 4.16 – Схема защиты подстанции разрядниками

Защиту подстанций осуществляют вентильными разрядниками FB, установленными по комплекту на каждую систему или секцию шин (рис. 4.16). Вентильные разрядники присоединяют к шинам через разъединитель Q и подключают к контуру заземления по кратчайшему пути. Для ограничения амплитуды волны перенапряжения, движущейся к подстанции, до безопасного для вентильного разрядника значения на высоковольтных линиях устанавливают трубчатые разрядники FT1. Разрядник FT2 является резервным. Его устанавливают на первой от подстанции опоре, а на линиях с кабельными вставками – на концевых муфтах. Разрядник FT1 устанавливают на расстоянии 200-300 м от FT2. Для защиты электроустановок от внутренних и грозовых перенапряжений разработаны нелинейные ограничители перенапряжений (ОПН) на основе окиси цинка с лучшими характеристиками, чем вентильные разрядники. Выбор разрядников. Вентильные разрядники выбирают по номинальному напряжению и по назначению, а трубчатые, кроме того, по пределам токов отключения. В частности, трубчатые разрядники должны соответствовать условиям: I P.T .MAX ≥ I K( 3.)З .MAX ; I P.T .MIN ≤ I K( 2.)З .MIN ,

156


где IР.Т.МАХ, IР.Т.МIN – верхний и нижний пределы токов, отключаемых разрядником; I К(3.)З.МАХ – действующее значение тока трёхфазного короткого замыкания в первый полупериод, умноженное на коэффициент К, учитывающий апериодическую слагающую тока (для понизительных подстанций К=1,3); I К( 2.)З.МАХ – действующее значение тока двухфазного короткого замыкания в первый полу период без учёта апериодической составляющей. Решение примеров Пример 4.1. Выбрать шины для РУ шахты, через которые передаётся нагрузка мощностью 6300 кВ·А и определить расстояние между опорными изоляторами. Ток к.з. на шинах составляет 26000 А. Возможная температура в помещении, где расположены шины 40 °С. Решение. 1. Сечение по нагреву длительным т оком нагрузки определяют по формуле (4.2): k n ⋅ І доп ≥ І р

0.77 ⋅1025 ≥ 789 А > 607 A Поправочный коэффициент равен (формула 4.3): k n = 0.95 · 1 · 0.82 = 0,77 Длительный ток нагрузки: S 6300 = = 607 А І дл. = 3 ⋅U н 3⋅6 Принимаю алюминиевую шину марки АДО сечением равным 60×8=480 мм2. Допустимое напряжение на изгиб таких шин равно 41,2 МПа. Шины установлены плашмя. 2. Расстояние между опорными изоляторами, определяемое по формуле составит: l≤

41200000 ⋅ 0,0000048 ⋅10 = 1,44 м 951,8

Момент сопротивления шины (формула 4.5) равен: W=0,17 · 0,062 · 0,08=0,0000048 м3 Расчётное усиление (формула 4.1): 2 Fрасч. = 1,76 ⋅10 −7 ⋅ 26000 2 ⋅ = 951,8 Н/м 0,25

157


Принимаю расстояние между шинами 1,4м. При таком расстоянии между опорными изоляторами будет обеспечена динамическая стойкость (механическая прочность) шин. 3. Термическую стойкость шин проверяют по условию (4.7): 2 S m ≥ α ⋅ I к(3. з). ⋅ t n = 11⋅ 26 ⋅ 5 = 202,2 мм Следовательно, при принятом сечении шин 480мм2 обеспечивается и термическая стойкость шин. Пример 4.2. Выбрать реактор для ограничения тока к.з. на шинах ЦПП. Ток к.з. на шинах ЦПП без реактора равен 6800А. В РУ ЦПП установлены КРУ типа УК-6 с номинальным током отключения 5000А. Нагрузка, передаваемая на ЦПП равна 440А. Решение. 1. Фактическое сопротивление системы до шин ЦПП без реактора согласно закону Ома равно: 6300 = 0,536 Ом Zр = 3 ⋅ 680 2. Допустимое сопротивление системы до шин ЦПП, определяемое коммутационной способностью КРУ, согласно (4.9): 6300 Zд ≥ = 0,728 Ом 3 ⋅ 5000 3. Требуемое индуктивное сопротивление реактора (формула 4.8): X p = Z д − Z р = 0,728 − 0,536 = 0,192 Ом

4. Для ограничения тока к.з. принимается реактор типа РБ-10630-0,25 на напряжение 10кВ, ток 630А, с индуктивным сопротивлением Хр=0,25 Ом. 5. После установки реактора ток к.з. на шинах ЦПП составит: Uн 6300 I к(3.з). = = = 4633 А 3 ⋅ ( Z р + Х рн ) 3 ⋅ (0,536 + 0,25) При установке реактора ток к.з. будет меньше тока отключения КРУ, что обеспечит его надёжную работу в аварийном режиме. Принятый реактор соответствует по динамической стойкости: (3)

(3)

iн.дин. = 40000 А > i y

= 2 ⋅ k y ⋅ I к.з. = 2 ⋅ 1,8 ⋅ 6214 = 15771А Ток к.з. на зажимах реактора равен: Uн 6300 (3) І к.з. = = = 6214 А 3 ⋅ ( Z с − Z ств.к. )

158

3 ⋅ (0,786 − 0,2)


где Zс – сопротивление системы до шин ЦПП: Zc = Zр + Zрн = 0,786Ом Zств.к – сопротивление стволового кабеля длиной 1000м и сечением 95 мм2. Вопросы для самоконтроля 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21.

Какие подстанции и распределительные устройства сооружают на шахте? Какие требования предъявляют к сооружению подстанций и распределительных устройств? Какое основное электрооборудование входит в состав ТП и РУ? Для чего предназначена система сборных шин? Для чего осуществляют секционирование сборных шин? Как выполняют секционирование шин? По каким схемам присоединяют потребителей к системе сборных шин? Как закрепляют шины на изоляторах? Как производят расчёт и выбор системы сборных шин? Для чего применяют реакторы в системе электроснабжения? Как устроены реакторы? Как их устанавливают? По каким схемам включают реакторы? Как рассчитывают и выбирают реакторы? К каким отрицательным последствиям приводит применение реакторов? Какие виды перенапряжения возникают в СЭС? Как осуществляется защита от внутренних перенапряжений? Как осуществляется защита от прямых ударов молнии? Как устроены стержневые молниеотводы?, тросовые?, какими параметрами характеризуются их защитные свойства? Как осуществляется защита от набегающих волн перенапряжений? Как устроены разрядники: искровые промежутки, трубчатые, вентильные? Где устанавливают разрядники: трубчатые, вентильные?

159


РАЗДЕЛ 5 ВЗРЫВОЗАЩИТА РУДНИЧНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Учебными целями раздела являются обретение студентами знаний относительно требований к конструкции рудничного электрического оборудования в соответствии с уровнями и видами взрывозащиты. Результатом освоения студентами материала раздела является умение выбирать рудничное электрооборудование с уровнем взрывозащиты, соответствующим с условиями эксплуатации в шахте, знание принципов устройства оболочек рудничного электрооборудования в соответствии с критериями обеспечения их взрывоустойчивости и взрывонепроницаемости 5.1 УРОВНИ ВЗРЫВОЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В составе технологических установок горных предприятий применяют электрооборудование общего назначения и рудничное. Электрооборудование общего назначения нашло широкое применение в электроустановках поверхности. Однако оно не соответствует условиям эксплуатации в подземных выработках шахт. В связи с этим в шахтах должно применяться рудничное электрооборудование с уровнем взрывозащиты, соответствующим условиям его эксплуатации. Уровень взрывозащиты электрооборудования определяет степень его взрывозащиты. В зависимости от уровня рудничное электрооборудование делится на: рудничное нормальное (РН); рудничное повышенной надёжности против взрыва (РП); рудничное взрывобезопасное (РП); рудничное особовзрывобезопасное (РО). В шахтах, не опасных по газу, а также в выработках опасных по газу шахт, где исключается образование опасных концентраций газа, применяют электрооборудование в рудничном нормальном исполнении. Рудничное нормальное электрооборудование (РН) не имеет средств взрывозащиты. Однако, в отличие от электрооборудования общего назначения, оно выполнено с учётом специфических требований. предъявляемых к изоляции, путям утечки, электрическим зазорам, защите от попадания влаги и пыли, условиям эксплуатации в подземных выработках шахт и рудников. 160


Оболочки такого электрооборудования изготовляют из негорючих, механически прочных материалов, стойких против агрессивного действия рудничной окружающей среды шахты. В ряде случаев применяют надёжное защитное покрытие. Степень защиты оболочек от внешних воздействий должна быть не ниже IP 54. Если для защиты изделий применяют уплотнения, они должны быть предохранены от выпадения и повреждений. Болты (винты) крепления крышек должны иметь диаметр не менее 6 мм, быть невыпадающими, снабжаться пружинными шайбами для предотвращения их самопроизвольного отвинчивания. Ввод кабелей в оболочку осуществляют через специальное вводное устройство (рис. 5.1). Для уплотнения кабеля в этом устройстве предусмотрено резиновое уплотнительное кольцо 1. На кабельном вводе, не используемом при монтаже электрооборудования устанавливается специальная заглушка 2, изготовленная из материала, который выдерживает возможные в эксплуатации электрические, механические, термические и химические воздействия. При установке кабеля, с целью недопуРисунок 5.1 – Вводное устройство с нажимным фланцем щения его проворачива1- уплотнительное кольцо; 2 – заглушка; ния в кабельном вводе и 3, 7 - болт; 4, 8 – шайба пружинная; перемещения в осевом 5 – муфта; 6 - скоба направлении, кабель прижимают к кабельному вводу посредством скобы 6 и болта 7. Кабельные вводы, рассчитанные на ввод кабелей различных диаметров, укомплектовывают резиновым уплотнением 1 с кольцевыми надрезами. Присоединение силовых жил кабеля к проходным медным зажимам электрооборудования допускается только с использованием специальных корончатых латунных шайб или другой подобной арматуры, предотвращающей расчленение проволок жил кабелей. 161


Электрооборудование на напряжение выше 42 В переменного тока и 60 В постоянного должно иметь блокировку не допускающую открывание крышек при наличии напряжения на токоведущих частях, доступных для прикосновения обслуживающим персоналом. Изоляция в рудничном электрооборудовании исполнения РН должна быть влаго-тепло-масло-стойкой. Оболочки электрооборудования в рудничном нормальном исполнении снабжаются маркировкой выполненной рельефными знаками на видном месте РН1 (для эксплуатации в угольных шахтах) или РН2 (для эксплуатации в шахтах и рудниках других отраслей промышленности). Все требования электрооборудования в рудничном нормальном исполнении обязательны к выполнению и в рудничном взрывозащищённом исполнении. В выработках, где возможно образование взрывоопасных концентраций метана или пыли необходимо применять рудничное взрывозащищённое электрооборудование. В зависимости от области применения в соответствии с ГОСТ-12.2.020-76 его подразделяют на группы: I - рудничное взрывозащищённое, предназначенное для подземных выработок шахт, опасных по газу или пыли; II - взрывозащищённое электрооборудование для внутренней и наружной установки. Уровень взрывозащиты электрооборудования для каждой из указанных групп обозначают следующими знаками (табл. 5.1): Таблица 5.1 – Обозначения уровней взрывозащиты рудничного взрывозащищённого электрооборудования Уровень взрывозащиты Повышенная надёжность против взрыва Взрывобезопасное Особо взрывобезопасное

Группа I РП РВ РО

Группа II 2 1 0

Электрооборудование повышенной надёжности против взрыва (РП) - электрооборудование, в котором взрывозащита обеспечивается только в признанном нормальном режиме его работы. Для электрооборудования, не имеющего нормально искрящих элементов, – это режим, при котором отсутствует нагрев, электрические дуги или искры, опасные в отношении воспламенения окружающей взрывоопас162


ной среды. В отношении электрооборудования с нормально искрящими элементами (реле, предохранители и т.п.) должна быть обеспечена их искробезопасность в нормальном режиме искрения. Повышенную надёжность против взрыва обеспечивают применением: дополнительных средств и мер, затрудняющих возникновение опасных дуг, искр и нагрева; взрывонепроницаемой оболочки элементов оборудования с нормально искрящими контактами, обеспечивающей взрывозащиту в нормальном режиме работы; искробезопасных электрических цепей только в признанном нормальном режиме работы электрооборудования; заполнением негорючей жидкостью. Рудничное взрывобезопасное электрооборудование (РВ) – электрооборудование, в котором взрывозащита обеспечивается не только в нормальном режиме работы, но и при признанных вероятных повреждениях, кроме повреждения средств взрывозащиты. Учитывая условия эксплуатации электрооборудования в шахтах, признанными повреждениями приняты: режим дугового к.з.; и механическое воздействие на электрооборудование. Взрывобезопасный уровень может быть обеспечен: взрывонепроницаемой оболочкой; заполнением оболочки с токоведущими частями кварцевым песком или негорючим жидким диэлектриком; искробезопасностью электрических цепей в нормальном и аварийном состояниях; автоматическим защитным отключением напряжения при разрушении защитной оболочки, за время исключающее воспламенение взрывоопасной среды; специальными средствами взрывозащиты; сочетанием нескольких указанных видов взрывозащиты. Особо взрывобезопасное электрооборудование (РО) – электрооборудование, в котором по отношению к взрывобезопасному приняты дополнительные средства взрывозащиты, обеспечивающие взрывобезопасность при любых повреждениях. Этот уровень защиты может быть обеспечен: • искробезопасностью электрических цепей в нормальном и аварийном состояниях при любом числе повреждений; • сочетанием средств взрывозащиты, признанным достаточным испытательными организациями (например, сочетанием взрывонепроницаемой оболочки с кварцевой защитой или заливкой эпоксидным компаундом; продуванием взрывонепроницаемой оболочки под избыточным давлением чистым воздухом при наличии устройств, 163


исключающих возникновение опасного искрения при открытых крышках оболочки). 5.2 ВИДЫ ВЗРЫВОЗАЩИТЫ ЭЛЕКРООБОРУДОВАНИЯ

Вид взрывозащиты – совокупность конструктивных мер по исключению или затруднению возможности воспламенения окружающей взрывоопасной среды и обеспечению требуемого уровня взрывозащиты. Виды взрывозащиты и знаки для их обозначения, установленные ГОСТ-12.2.020-76, приведены в таблице 5.2. Таблица 5.2 – Обозначения видов взрывозащиты рудничного электрооборудования Виды взрывозащиты Защита вида «е» (повышенная надежность против взрыва) Взрывонепроницаемая оболочка Искробезопасная электрическая цепь Масляное заполнение оболочки Кварцевое заполнение оболочки Автоматическое защитное отключение Специальный вид взрывозащиты

Группа I П

Группа II e

1В, 2В, 3В, 4В Иа, Иб, Ис 1М, 2М, 3М, 4М 1К, 2К, 2КЭ А С

d i o q – s

Защита вида «е» (повышенная надёжность против взрыва) применяется для электрооборудования или его узлов, не имеющих нормально искрящих частей. Такое электрооборудование при нормальной работе не опасно в отношении взрыва метано-воздушной среды и поэтому может не заключаться во взрывонепроницаемую оболочку. Это позволяет применять более простые и дешёвые оболочки, снижать их металлоёмкость. Защитные функции оболочек сводятся к недопущению проникновения во внутрь воды и пыли, к устойчивости в отношении механических и тепловых воздействий. Случайное возникновение дуг, искр или опасный нагрев в таком оборудовании предотвращают с помощью дополнительных специальных мероприятий (по сравнению оборудованием рудничного нормального исполнения). К таким дополнительным мероприятиям относят: • выбор путей утечки и электрических зазоров, исключающих возможность пробоя изоляции и возникновения дуги (в соответствии с ГОСТ-22.782.7-81); 164


• исключение искрения и нагрева в местах соединения токоведущих частей за счёт ограничения плотности тока в местах соединения, не превышающей 2,5 А/мм2 и применения специальных устройств, обеспечивающих надёжный контакт; • ограничения до 150 °С максимальной температуры нагрева поверхностей электрооборудования, опасных в отношении воспламенения образовавшегося на них слоя пыли; • снижение температуры нагрева изолированных обмоток по сравнению с допустимыми значениями для данного класса изоляции по нагревостойкости в электроустановках общего назначения; • применение оболочек из материалов, устойчивых к механическому и тепловому воздействию, обусловленному работой изделия в нормальном режиме и условиями эксплуатации; • применение электроизоляционных материалов соответствующей трекингостойкости. Коэффициент трекингостойкости КТ изоляционного материала соответствует максимальному напряжению на электродах, вмонтированных в этот материал, при котором не происходит образование токопроводящих треков в случае подачи 50 капель электролита на место установки электродов. Различают следующие группы изоляционных материалов: группа «а» - токопроводящие треки не образуются; группа «б» - (КТ>500 В); группа «в» - (КТ=380…480 В); группа «г» (КТ=100…360 В). Взрывонепроницаемая оболочка. Передача взрыва из оболочки в окружающую среду может происходить вследствие смешивания выходящих нагретых продуктов взрыва с горючей газовой смесью или вылета раскалённых частиц через щели оболочки. Взрывонепроницаемая оболочка отличается способностью выдерживать давление взрыва взрывоопасной газовой смеси, произошедшего внутри неё, и исключающая передачу взрыва из оболочки в окружающую среду. Проектирование и изготовление взрывонепроницаемой оболочки выполняют в соответствии с требованиями ГОСТ 22782.6-81. Электрооборудование с видом взрывозащиты «взрывонепроницаемая оболочка» в зависимости от номинального напряжения и тока металлического к.з. внутри оболочки подразделяется на четыре подгруппы: Основными свойствами такой оболочки являются: механическая прочность, взрывоустойчивость, взрывонепроницаемость. Механическая прочность – это способность оболочки без разрушения выдерживать механические воздействия при транспортиро165


вании и эксплуатации как в нормальных, так и при признанных аварийных режимах (сбрасывание с определённой высоты, удар при обрушении породы и т. п.). Таблица 5.3 – Характеристики подгрупп вида взрывозащиты «Взрывонепроницаемая оболочка» Подгруппа Номинальное напряжение, В

1В до 100

Ток металлического к.з., А

до 100

2В более 100; до 220 от 100до 450

3В 4В более 220; свыше до 1140 1140 более 100

Взрывоустойчивость – способность оболочки с определённым запасом надёжности, без опасных деформаций выдерживать давление при взрыве внутри нее взрывоопасной газовой смеси. Давление, создаваемое взрывом метано-воздушной смеси внутри оболочки, зависит от концентрации метана в смеси; формы и объёма оболочки; расположения источника воспламенения; способа воспламенения [4, 19]. При зажигании этой смеси фронт пламени на начальной стадии процесса имеет сферическую форму. Распространяясь со скоростью 35…45 см/с, фронт пламени оставляет позади сгоревшие продукты при температуре около 2000 °С, принимая в конце процесса форму оболочки вследствие охлаждающего действия ее стенок. При сгорании смеси в замкнутом объёме без тепловых потерь давление можно определить по формуле [19]: Рвзр = Рн

ТГ m ⋅ , ТН n

(5.1)

где Рвзр , Рн - давление, соответственно, взрыва и начальное; ТГ, ТН – температура, соответственно горения и начальная, и n, m – число молекул смеси соответственно до взрыва и после взрыва с учётом азота воздуха (для метано-воздушной смеси m/n=1). Из этого выражения следует, что чем выше температура горения ТГ и начальное давление PН – тем выше будет конечное давление взрыва Pвзр. Для метановоздушной смеси максимальное значение рассчитанное по этой формуле составит: 23160 К Рвзр = 10 ⋅ 1 = 790 , кПа. 2930 К 166


Действительное значение давления из-за потерь тепла поглощаемого металлическими стенками оболочки будет ниже. Экспериментально установлено, что температура взрыва в сферической оболочке находиться в пропорциональной зависимости от концентрации метана и достигает максимального значения при 10 %-ной концентрации метана в воздухе. В несферических оболочках фронт пламени распространяется аналогично только до момента касания пламенем стенок оболочки. В кубических оболочках пламя достигает стенок раньше, чем произойдёт полное сгорание газа, и тогда, остающийся в углах куба газ будет сгорать в период охлаждения смеси вследствие контакта волны пламени со стенкой. Таким образом, максимальное давление взрыва в оболочке кубической формы при прочих равных условиях (объем оболочки, состав смеси и т.д.) будет меньше, чем давление, развивающееся в сферической оболочке. Потери тепла при зажигании взрывоопасной смеси в оболочках прямоугольной и цилиндрической форм будет ещё больше и, следовательно, - максимальное давление взрыва будет ещё меньшим. Расположение источника воспламенения не в центре оболочки также позволит снизить давление, так как горение в этом случае происходит одновременно с потерей тепла через стенку оболочки. При наличии отсеков, соединённых перегородками с узкими щелями, создаются условия для существенного повышения давления взрыва метано-воздушной смеси. Так, при взрыве в одном из отсеков, продукты взрыва, имеющие значительное давление, проходя сквозь щель в перегородке, повышают начальное давление ещё не взорвавшейся метано-воздушной смеси второго отсека. Последующий взрыв во втором отсеке (в результате проникновения пламени из первого отсека) произойдет при повышенном начальном давлении газа, что, в соответствии с 5.1, приведёт к пропорциональному повышению давления взрыва. Поэтому деление внутренней полости взрывозащищённой оболочки перегородками с узкими щелями запрещается. При горении метано-воздушной смеси в малых объёмах относительные потери тепла повышаются, т.к. теплопотери на стенках сопоставимы с тепловыделением при горении. Поэтому давление взрыва в малогабаритных оболочках в значительной степени определяется их объёмом. В крупногабаритных оболочках теплопотери через их стенки несопоставимо малы с тепловыделением при горении метановоздушной смеси. Поэтому давление взрыва мало зависит от объёма 167


оболочки. Кроме того, давление при взрыве зависит от степени заполнения оболочки встроенным в неё электротехническим оборудованием, которое так же воспринимает температуру продуктов горения при взрыве и частично охлаждает их. Давление взрыва, вызванного мощными электрическими дугами, например, при дуговом к.з., повышается, поскольку к теплу, выделяющемуся при взрыве добавляется значительная тепловая энергия дуги. Исследованиями, выполненными в МакНИИ, установлены дополнительные опасности при взрыве метано-воздушной смеси, вызванные появлением мощных электрических дуг [19]. • опасный нагрев и прожигание дугой стенок оболочки; • разрушение оболочки давлением газов, образующихся при действии дуги на органическую изоляцию находящуюся внутри оболочки; • выброс из оболочки через зазоры между фланцами раскалённых газов и металлических частиц. С целью недопущения подобных последствий применяют коммутационные аппараты, способные быстро (за время не более 0,2 с) отключить повреждённую сеть от токов к.з.; в составе коммутационных аппаратов применяют быстродействующие устройства максимальной токовой защитой. Положительный эффект создаёт применение защиты электросети участка от утечек тока на землю, которая, в частности, срабатывает при касании дугой стенок оболочки электрооборудования. Для обеспечения требуемой взрывоустойчивости минимальную толщину стенки оболочки устанавливают с учётом материала, условий эксплуатации и испытания оболочек на механическую прочность и нагрев. Толщину фланцев, диаметр крепёжных элементов и расстояние между ними принимают исходя из материалов, условия эксплуатации и требуемой механической прочности оболочки. Все рудничные взрывобезопасные электрические устройства на стадии создания опытных и серийных образцов, а так же их модернизации испытывают на взрывоустойчивость в специальных испытательных камерах профильных НИИ: УкрНИИВЭ; МакНИИ; ВостНИИ (Россия) и др. В ходе испытаний исследуемое изделие помещают в специальную камеру (рис. 5.2), куда нагнетают метановоздушную смесь наиболее взрывоопасной концентрации и создают взрыв этой смеси внутри оболочки исследуемого изделия специаль168


ным искрообразующим устройством. После взрыва оценивают состояние оболочки изделия, применяя необходимые и инструменты.

Рисунок 5.1 – Подготовка к испытаниям высоковольтного комплектного распределительного устройства на взрывоустойчивость в лаборатории МакНИИ (Взрывозащитная крышка взрывной камеры открыта)

Взрывонепроницаемость – это способность оболочки не передавать в окружающую среду взрыв через конструктивные щели и отверстия в местах сопряжений оболочки с вероятностью, не более допустимой: 10-8 в нормальном режиме (при искровом разряде) и 10-4 в режиме дугового к.з. Взрывонепроницаемость может быть обеспечена: оболочкой с щелевой или пластинчатой защитой, оболочкой из металлических сеток, кварцевым или масляным заполнением оболочки. Наиболее широкое распространение получила взрывонепроницаемая оболочка с фланцевой (щелевой) взрывозащитой [19]. Сущность такой защиты основана на свойстве гашения пламени газовоздушной смеси в узкой щели между деталями (фланцами) металлической оболочки при возникновении взрыва внутри неё. Этот же эф169


фект создаёт мелкоячеистая металлическая сетка. Наличие пределов распространения пламени и гашение его в узкой щели объясняется увеличением тепловых потерь при уменьшении ширины щели в связи с увеличением отношения поверхности, воспринимающей тепло, к объёму газа, отдающего его. Кроме этого, щелевая взрывозащита позволяет рассредоточить теплоноситель на тонкие струйки, размеры которых не превосходят критических для данных условий. Такая защита создаёт условия для эффективной конденсации паров металла и снижения температуры проходящих через щели струй продуктов взрыва. Гасящая способность щелевой защиты зависит от: свободного объема оболочки; ширины щели; места возникновения воспламенения (взрыва) внутри оболочки, мощности короткого замыкания внутри оболочки и ряда других факторов. Одним из них является материал токоведущих шин, создающих искрение, воспламенение – факторы, вызывающие взрыв метано-воздушной смеси. В отличие от меди, короткое замыкание между алюминиевыми электродами сопровождается значительно более сильным экзотермическим окислением его частиц, что существенно повышает уровень выделения тепла. Для обеспечения фланцевой взрывозащиты в этом случае требуется уменьшить толщину щели более, чем в 8 раз, что технически трудно реализуемо. Поэтому алюминиевые сплавы запрещено применять в электрооборудовании подгрупп 2…4 В для в качестве материала токоведущих элементов. Наряду с неподвижным может иметь место подвижное взрывонепроницаемое соединение оболочки (например, соединение вала с подшипниковым щитом, толкателя кнопки с втулкой в стенке оболочки). Взрывонепроницаемые соединения могут быть плоскими и лабиринтными (рис. 5.3). Различают так же резьбовые, цилиндрические и некоторые другие виды взрывонепроницаемых соединений. К параметрам взрывонепроницаемости соединения относят: • ширину щели s плоского взрывонепроницаемого соединения (расстояние между плоскими поверхностями частей оболочки); • ширину щели цилиндрического взрывонепроницаемого соединения (расстояние между цилиндрическими поверхностями частей оболочки, определяемое как разность диаметров отверстия и вала); 170


• ширину радиальной щели (расстояние между поверхностями отверстия и вала в цилиндрическом соединении); • длину щели l1 – кратчайший путь по взрывозащитной поверхности из оболочки в окружающую среду или из одного отделения в другое на участке, где отсутствует отверстие для болта; • длину щели до отверстия l2 – кратчайшее расстояние по взрывозащитной поверхности на участке, где имеется отверстие для болта.

а

б в

Рисунок 5.3 – Формы взрывонепроницаемых соединений а – плоское фланцевое с невыпадающими болтами; б – лабиринтное одногребенчатое; в – лабиринтное многоступенчатое

Взрывонепроницаемые соединения должны быть настолько плотными, насколько позволяет технология их изготовления и условия эксплуатации. Шероховатость взрывозащитных поверхностей частей оболочек для неподвижных соединений должна составлять не более Rz 40 мкм, а для подвижных – не более Rz 25 мкм. На взрывозащитных поверхностях не должно быть вмятин, царапин, иных повреждений. В качестве защиты от коррозии этих поверхностей применяют смазку. Взрывонепроницаемость вводного отделения оболочки в месте прохода кабеля обеспечивают эластичным уплотнительным кольцом (рис. 5.4), заполнителем или затвердевающим компаундом. Кольцо, предназначенное для ввода кабелей с различным наружным диаметром, должно иметь кольцевые надрезы с шагом не более 2 мм. Взрывонепроницаемость неиспользуемых кабельных вводов обеспечивают специальными заглушками. 171


Рисунок 5.4 – Размещение резинового уплотнительного кольца в расточке уплотнительного устройства кабельного ввода: 1 – уплотнительное кольцо для кабеля; 2 – корпус кабельного ввода; d – диаметр проходного отверстия; Н – высота уплотнительного кольца; с – толщина уплотнительного кольца

1 2

.Для снижения давления взрыва в крупногабаритных отсеках оболочек электрооборудования используют разгрузочные устройства: щелевые, с гранулированной набивкой, прессованные из металлического порошка. Эти устройства устанавливают между внутренней полостью оболочки и внешней средой или между разными частями оболочки, разделёнными перегородкой (например, между смежными отсеками комплектной трансформаторной подстанции). При возникновении взрыва метано-воздушной смеси в отсеке, оборудованном разгрузочным устройством, продукты взрыва частично выходят из этого отсека через разгрузочное устройство в смежный отсек или окружающую среду, охлаждаясь до безопасной температуры. Благодаря снижению давления взрыва можно обеспечить взрывоустойчивость электрооборудования с меньшей толщиной стенок оболочек, значительно снижая при этом его металлоёмкость. В эксплуатационной документации на рудничное врывозащищённое электрооборудование приводят описание средств взрывозащиты, требования и рекомендации по поддержанию их на должном уровне. На чертеже конструкции оболочки обозначают надписью «ВЗРЫВ» все взрывонепроницаемые соединения, а также приводят: допустимые ширину и длину щели l1 и l2; шероховатость взрывозащитных поверхностей; толщину стенок взрывонепроницаемой оболочки в наиболее тонких местах, вид материала, из которого изготовлена оболочка и др. Искробезопасная электрическая цепь отличается тем, что в любом режиме работы (нормальном и аварийном) не способна воспламенить метано-воздушную смесь максимально взрывоопасной концентрации. Для оценки искробезопасности цепей применяют следующие параметры. Воспламеняющим считается ток (Iв) в электрической цепи, разрыв которого воспламеняет взрывоопасную смесь с ве172


роятностью 10-3. Воспламеняющим считается напряжение (Uв) ёмкостной цепи, при замыкании которой взрывоопасная смесь воспламеняется с вероятностью 10-3. Искробезопасный ток (Iи) при разрыве электрической цепи не приводит к воспламенению взрывоопасной смеси. Искробезопасным считается напряжение (Uи) ёмкостной цепи, при замыкании которой взрывоопасная смесь не воспламеняется. Максимальные величины указанных искробезопасных параметров не должны быть превышены ни в рабочем, ни в любом аварийном режиме работы искробезопасного устройства (короткое замыкание, разрыв цепи, замыкание на землю, либо любая комбинация этих повреждений) Коэффициент искробезопасности – отношение минимальных воспламеняющих параметров к соответствующим искробезопасным:

Ки =

Iв Uв = Iи Uи

(5.2)

С увеличением коэффициента искробезопасности снижается вероятность воспламенения при повреждении искробезопасной цепи. Воспламеняющая способность электрических цепей при их контактной коммутации зависит от ряда факторов, наиболее важным из которых является энергия воспламенения. В частности, энергия, рассеиваемая в дуге при постоянном токе, равна [4, 20];

Wd = ∫ Uidt = ∫ ( Ei − Ri 2 )dt + ∫ ( − Lidi ),

(5.3) где U – разность потенциалов между размыкающимися электродами:

U = E − Ri − Li

di , dt

(5.4)

Е – напряжение источника, к которому подключена цепь; R, L, i – соответственно, активное сопротивление, индуктивность и ток цепи. Первое слагаемое в выражении (5.3) представляет собой высвобожденную энергию источника тока, а второе – накопленную в индуктивности магнитную энергию, относительное значение которой зависит от индуктивности цепи. Поэтому для цепей с большой индуктивностью труднее обеспечить искробезопасность. Искрение при постоянном токе отличается большей стабильностью и выделением тепла (в отличие от электроцепей переменного тока, для которых характерны прерывания искрения в моменты перехода тока через нуль). Поэтому переменный ток менее опасен в отношении искрения. 173


Из формулы (5.3) следует, что энергия, выделяемая в разряде, зависит также от напряжения, тока и продолжительности разряда. Поэтому, ограничивая ток и напряжение цепи, можно уменьшить ток и напряжение разряда, а, следовательно, и выделяемую в нем энергию до искробезопасной величины. Следовательно, искробезопасное электрооборудование может быть создано для устройств малой мощности: аппаратуры управления; защиты; автоматизации; телефонных установок и сигнализации. На воспламеняющую способность разряда оказывает влияние вид разряда, который зависит от вида размыкаемой цепи. По виду различают: активную, индуктивную и ёмкостную цепи [1, 4, 19, 20]. Применительно к активной цепи имеет место снижение величины минимального воспламеняющего тока с ростом приложенного напряжения (т.к. в этом случае растёт энергия в искре). Однако, активные цепи практически не находят применения, поскольку в цепи каждой электрической установки, как правило, включены те или иных индуктивные элементы (реле, трансформаторы, кабели). Индуктивная цепь. При размыкании цепи, содержащей индуктивные элементы, возникает ЭДС самоиндукции, значительно превышающая величину питающего напряжения. Перенапряжение, возникающее на контактах, существенно зависит от скорости их размыкания. При высокой индуктивности более опасно быстрое отключение, а при малой - медленное. Воспламеняющая способность такого разряда будет тем больше, чем выше индуктивность цепи. Ёмкостная составляющая электрической цепи остаётся заряженной в течение некоторого времени после её размыкания. Поэтому градиент потенциала в искровом промежутке способен превысить величину пробивного напряжения и вызвать мощный разряд. Таким образом, искробезопасность электрической цепи может быть обеспечена путём ограничения тока и напряжения её источника питания. Кроме этого, могут быть применены защитные элементы. Их защитная функция состоит в обеспечении разряда энергии, накопленной в индуктивности или ёмкости цепи, вне искрового промежутка. В связи с этим, широко применяется шунтирование фрагментов цепи, где возможно появление искровых промежутков. В соответствии с ГОСТ 22782.5-78 в качестве шунтов к реактивным составляющим искробезопасных цепей применяют резисторы; конденсаторы (за исключением электролитических и негерметизированных); полупроводниковые приборы (рис. 5.5). С целью ограничения тока искро174


безопасной цепи вторичная обмотка трансформатора её электропитания может быть выполнена полностью или частично из высокоомного провода. В этом случае действие ограничивающего сопротивления вторичной обмотки трансформатора сохраняется при любом повреждении схемы. Кроме этого, в качестве ограничителей тока применяют дроссели. Возможно применение комбинаций токоограничивающих и шунтирующих элементов. В случае применения ёмкостного шунта параллельно индуктивности (рис. 5.5б) создаётся контур колебания энергии, вследствие чего энергетические потоки в электрической цепи отводятся от искрового промежутка. В последнее время широко применяются стабилитронные шунты и некоторые другие типы полупроводниковых приборов с ключевыми свойствами (рис 5.5в), обратная вольтамперная характеристика которых представляет прямую линию, параллельную оси ординат, вследствие чего напряжение на зажимах полупроводникового шунта поддерживается постоянным в большом диапазоне нагрузок. Искрозащитные элементы выполняют в виде неразборной конструкции, в частности, заливают функциональный узел искрозащиты эпоксидным компаундом. Это позволяет снизить вероятность их повреждений вследствие механических воздействий, защитить искрозащитРисунок 5.5 – Шунты искробезопасных цепей: ное устройство от неа – резисторный; б – емкостной; гативных воздействий в – стабилитронный агрессивной окружающей среды и, в целом, с высокой надежностью поддерживать функцию искрозащиты внешних цепей рудничных электроаппаратов, безопасность эксплуатации электротехнических комплексов шахт. Искробезопасность цепей электрооборудования в целом устанавливают опытным путём с помощью искрообразующего механиз175


ма, размещаемого во взрывной камере, заполняемой взрывчатой смесью. В соответствии с ГОСТ 22782.5-78 в каждом испытательном режиме проводят не менее 16000 замыканий и размыканий электрической цепи. Система считается выдержавшей испытание, если при этом не было взрывов, либо если их количество не превосходило 16 на 16000 искрений. В последнем случае напряжение, приложенное к исследуемой электрической цепи уменьшают на 10 % по сравнению с предыдущими опытами и проводят ещё 16000 опытов. При этом не должно произойти ни одного воспламенения. Минимальный воспламеняющий ток (напряжение) определяют в следующем порядке: • в исследуемой электрической цепи при заданном напряжении и индуктивности (для индуктивной цепи) определяют ток, вызывающий воспламенение метано-воздуш-ной смеси с вероятностью Р, равной , -1 (2…5) 10 (1-я точка); 102 …10-1 (2-я точка) и 10-3…102 (3-я точка); • по полученным точкам строят зависимость: Р = f ( I ); Р = f (U) (рис. 5.6); • вычисляют угол наклона прямой Р = f (I ) или Р = f (U) к оси абсцисс: Рисунок 5.6 – Зависимость вероятности воспламенения метано-воздушной смеси от величины воспламеняющего тока или напряжения.

tgϕ =

LgP2 − LgP1 LgI 2 − LgI1

(5.5)

Прямую линию зависимости Р = f ( I ); Р = f (U) продолжают до пересечения с осью абсцисс при вероятно-3 сти Р=10 . Ток (напряжение) соответствующее точке пересечения принимают в качестве воспламеняющих. Согласно ГОСТ 22782.5-78 искробезопасные цепи разделяют на три уровня: особо взрывобезопасный Иа, взрывобезопасный Ив, по176


вышенной надежности против взрыва Ис. (табл. 5.4). Коэффициент искробезопасности таких цепей должен составлять: Ки > 1,5 . Таблица 5.4 – Характеристика уровней искробезопасности Наличие открытых нормально искрящих контактов Отсутствуют Имеются

Число повреждений в аварийных состояниях в зависимости от уровня искробезопасности цепи Иа Ив Ис 2 1 Не создаются Все возможные 2 Не создаются повреждения

При расчете искробезопасных цепей принимают максимально возможное напряжение источников их электропитания, учитывают величины емкости, индуктивности и активного сопротивления внешних элементов этой цепи (кабелей или проводов). Крепление элементов должно исключать возможность уменьшения электрических зазоров или замыкания между ними. Принято, что провода внутреннего монтажа искробезопасных цепей должны быть синего или голубого цвета. Зажимы для присоединения внешних искробезопасных и искроопасных цепей обычно располагают в разных вводных устройствах. Если напряжение искроопасной цепи не превышает 1200 В такие зажимы можно размещать в одном вводном устройстве при условии разделения искробезопасных и искроопасных цепей изоляционной, либо заземлённой перегородкой, а так же, если электрические зазоры между зажимами и не изолированными частями присоединяемых проводов составляют не менее 50 мм. Для гальванической развязки между искробезопасными и искроопасными цепями, разными группами искробезопасных цепей, а также для развязки силовых цепей с гальванически связанными искроопасными и искробезопасными цепями применяют: - реле и электромагнитные контакторы; - разделительные трансформаторы; - оптроны. Внешние искробезопасные и искроопасные цепи прокладываются раздельными кабелями или проводами. Гальванически не связанные между собой цепи можно прокладывать в одном кабеле. Применительно к электрооборудованию проходческих и выемочных машин допускается совмещение искроопасных и искробезопасных це177


пей в шахтном гибком экранированном кабеле при условии применения защиты от утечек тока на землю. Искробезопасная цепь, как правило, не заземляется. Кварцевое заполнение оболочки. Сущность применения этой защиты заключается в том, что токоведущие части электрооборудования помещаемого в оболочку, находятся под защитным слоем кварцевого песка. При возникновении дуги её энергия расходуется на плавление и нагревание песка (рис. 5.7). Продукты горения, проходя между кварцевыми песчинками охлаждаются до температуры, при которой исключается воспламенение внешней взрывоопасной смеси. Для уменьшения защитного слоя применяют защитный экран - металлический лист из некорродирующего материала, закреплённый и заземлённый в оболочке электрооборудования.

а

б

Рисунок 5.7 – Высота защитного слоя песка а – при отсутствии экрана; б – при наличии экрана

Для заполнения оболочки применяют сухой, гидрофобизированный песок с гранулометрическим составом от 0,25 до 1,6 мм; при содержании кварца – не менее 96 %. Высоту защитного слоя песка без экрана (Нд) и с экраном (Нэд) для электрооборудования напряжением до 6 кВ и мощности к.з. на вводе более 10 кВА определяют по формулам:

H д = 1,263 I q2 t H эд = 0,313 I q2 t 178

(5.6) (5.7)


где Iq =(1/n)Iк.з. – расчётный ток дугового к.з. всех фаз (полюсов); Iк.з. – расчётный ток металлического к.з. всех фаз. В зависимости от напряжения и места к.з. кратность токов к.з. (n) лежит в пределах 1.1…2.6; t<0,2 с – расчётная продолжительность дугового к.з., определяемая временем срабатывания защитных устройств. В дополнение к расчётному предусматривают резервный слой заполнителя высотой, не менее 10 % от высоты расчётного неэкранированного слоя и не менее 25 % - от высоты экранированного слоя. Приняты следующие обозначения этого вида взрывозащиты: - 1К (слой заполнителя рассчитан по условию искрового разряда); - 2К; 2КЭ (соответственно, неэкранированный, либо экранированный слой заполнителя рассчитан по условию дугового к.з.). Данный вид защиты применяют для частей электрооборудования, не имеющих искрящих и подвижных частей. Примером применения кварцевого заполнения в качестве вида взрывозащиты может служить отсек трансформатора участковой подстанции серии ТКШВП (выпускалась с 1961 по 1972 г.г., рис. 5.8). В настоящее время рудничное взрывозащищённое электрооборудование с кварцевым заполнением, как правило, не практикуется ввиду повышенной трудоёмкости его ремонта, технического обслуживания, и в связи с применением изоляционных материалов со значительно более высокими уровнями предельно допустимых температур. Масляное заполнение оболочки. При применении такого вида взрывозащиты части электрооборудования, способные воспламенить взрывоопасную смесь погружают в изоляционную среду под защитным слоем масла или негорючей жидкости таким образом, что взрывчатая смесь, находящаяся вне изоляционной среды, не может быть воспламенена дугами, искрами или горючим газом, образовавшимся внутри изоляционной среды. В рудничном взрывозащищённом электрооборудовании в качестве изоляционной среды допускается применять только негорючие электроизоляционные (в дальнейшем – масло) жидкости. Взрывозащитный слой масла должен обеспечивать взрывозащиту как при искровом разряде, так и при дугообразовании вследствие возникновения к.з. При отсутствии защитного экрана высота этого слоя должна быть не менее 25 мм. В случае применения защитного экрана высота слоя может быть уменьшена до 10 мм. Взрывозащита электрических частей, расположенных над маслом или погруженных 179


в масло на глубину, меньшую чем высота взрывозащитного слоя, должна быть обеспечена другими техническими средствами. 2 1

3

Рисунок 5.8 – Кварценаполненная трансформаторная подстанция серии ТКШВП 1 – распредустройство низкого напряжения; 2 – отсек трансформатора; 3 - распредустройство высокого напряжения

Электрооборудование с масляным заполнением оболочки делится на четыре подгруппы: Подгруппа 1М 2М 3М 4М Номинальное напряжение не более, В 65 127 660 6000 Ток металлического к.з., не более, А 100 450 15000 10000 Трансформаторное масло, будучи жидким диэлектриком и обладая высокой теплопроводностью, широко применяется для заполнения корпусов трансформаторов, высоковольтных масляных выключателей в электроустановках поверхности. Оно облегчает отвод тепла, является эффективным средством дугогашения при коммутации силовых цепей. Однако, трансформаторному маслу присущи существенные недостатки – горючесть и взрывоопасность продуктов его разложения (ачетилен, водород и др.). Поэтому применение масляного заполнения как средства взрывозащиты рудничного электрооборудования, применяемого в подземных выработках, запрещено, за исключением Высоковольтных комплектных распредустройств (РВД-6), где его применение неизбежно. При эксплуатации устройств РВД-6 обязате180


лен регулярный контроль состояния и своевременная замена масла в высоковольтном выключателе. Эти распредустройства выводятся из эксплуатации по мере замены их изделиями аналогичного назначения с выключателями, оборудованными воздушными, либо вакуумными дугогасительными камерами. Автоматическое защитное отключение. Этот вид взрывозащиты заключается в снятии напряжения с токоведущих частей при разрушении защитной оболочки за время, исключающее воспламенение взрывоопасной среды, т.е.

tоткл ≤ tр.а.,

где tоткл – время отключения, мс; tр.а. – время развития аварии.

Рисунок 5.9 – Схема энергетической изоляции места повреждения кабеля от источников ЭДС

Этот вид взрывозащиты реализован в рудничном электрооборудовании с системой опережающего отключения (рис. 5.9). Сущность опережающего отключения заключается в энергетической изоляции места повреждения (к.з. или замыкание силовых жил на землю) в кабеле или электрооборудовании посредством быстродействующего закорачивания всех жил, как у источника питания, так и у потребителя, с одновременным быстродействующим отключением электропитания выключателем SF1 (в автоматическом режиме). В качестве короткозамыкателя может быть применена силовая полупроводниковая (диодный мост VC1, нагруженный тиристором VS1), либо механическая 181


(SF2) схема. В последнем случае обычно применяют быстродействующие автоматы с приводом пружинно-магнитного действия. Специальный вид взрывозащиты основан на принципах, отличных от ранее рассмотренных, но эффективность и достаточность которых признана испытательными организациями. Этот вид широко применяют для создания систем автоматики, сигнализации и связи с уровнем взрывозащиты РО, где применение традиционных искробезопасных электрических цепей затруднено или неприемлемо. Специальный вид взрывозащиты осуществляют: • заключением элементов электрооборудования в прочную неразборную оболочку, взрывобезопасность которой обеспечивается как при нормальном режиме работы, так и при возможных повреждениях, определяемых условиями: эксплуатации; окружающей среды и технического обслуживания. • герметизацией искроопасных цепей элементов эпоксидным компаундом, исключающим их контакт с взрывоопасной средой и помещением этих элементов во взрывонепроницаемую оболочку. Возможность применения эпоксидного компаунда для обеспечения взрывозащиты подтверждена экспериментально [20]. Установлено, что при толщине компаундной заливки электрического устройства, равной 5 мм, допустимая мощность источника его электропитания должна быть не более 500 В.А. 5.3. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Конструкция, исполнение, класс изоляции применяемого электрооборудования, кабелей, средств защиты и устройств автоматизации должны соответствовать параметрам сети, режимам эксплуатации, условиям окружающей среды и требованиям безопасности. Область и условия применения электрооборудования в угольных шахтах установлены ПБ. Общим направлением предусмотрено применение во всех выработках шахт опасных по газу или пыли электрооборудования с уровнем взрывозащиты РВ, шахт опасных по взрыву только угольной пыли - РП, а шахт, не опасных по газу или пыли электрооборудования в рудничном, нормальном исполнении РН. На шахтах, опасных по газу, в стволах с исходящей струёй воздуха и в надшахтных зданиях, примыкающих к этим стволам, а так же, на шахтах, опасных по внезапным выбросам, - в стволах со све182


жей струёй воздуха и примыкающим к ним надшахтных зданиях (если не исключено проникновение в них шахтного воздуха), необходимо применять электрооборудование с уровнем взрывозащиты не ниже РВ. Допускается применение стволовой сигнализации с уровнем взрывозащиты не ниже РП. В помещениях вентиляторных и калориферных установок, а также в электромашинах помещениях подъёмных установок, располагаемых на копрах стволов с исходящей струёй воздуха, можно применять электрооборудование общего назначения, если в эти помещения исключено попадание шахтного воздуха и угольной пыли. При эксплуатации электрооборудования в тупиковых выработках, проветриваемых вентиляторами местного проветривания (ВМП), необходимо выполнять требования Инструкции по электроснабжению и применению электрооборудования в проветриваемых ВМП тупиковых выработках шахт, опасных по газу. Аккумуляторные светильники индивидуального пользования должны иметь уровень взрывозащиты не ниже РВ. Перспективные разработки головных светильников должны оснащаться автоматическими сигнализаторами метана. Этим требованиям отвечает конструкция взрывобезопасного головного светильника СВГ1, совмещённого с сигнализатором метана СМС5 (рис. 5.10) . Сигнализатор метана имеет два порога срабатывания в процентах объёмной доли СН4 : 1 % и 1,5 %. Контроллер включает режим мигания лампы сигнализатора с частотой 1 Гц, либо 10 Гц при достижении концентрацией метана 1-го и 2-го порогов настройки сигнализатора, соответственно.

Рисунок 5.10 – Шахтный взрывобезопасный головной светильник СВГ1, совмещенный с сигнализатором метана СМС5 (производство ОАО «Свет 1 шахтера», г. Харьков) 1- аккумулятор; 2 - лампа с рассеивателем во взрывобезопасном корпусе; 3 – сигнализатор метана

3 2

183


В шахтах, опасных по газу или пыли допускается применение аккумуляторных электровозов с уровнем взрывозащиты РВ. В выработках с исходящей струёй воздуха и тупиковых выработках шахт III категории и выше на электровозах должны быть установлены переносные автоматические приборы контроля содержания метана. Аккумуляторные электровозы с уровнем взрывозащиты РП допускается применять: в откаточных выработках: шахт I и II категории по газу или опасных по пыли, а так же в выработках со свежей струёй воздуха на шахтах, опасных по внезапным выбросам при условии работы электровозов не ближе 50 м от очистных забоев. Контактные и аккумуляторные электровозы в рудничном нормальном исполнении (РН) допускается применять: во всех выработках шахт, не опасных по газу или пыли, и в выработках со свежей струёй воздуха шахт I и II категории по газу или опасных по пыли. Вопросы для самоконтроля

1. 2. 3. 4. 5. 6.

7. 8.

Какое электрооборудование относят к рудничному нормальному? Какое электрооборудование относят к взрывозащищенному? Какие уровни взрывозащиты установлены для рудничного электрооборудования? Какое электрооборудование относят к "рудничному повышенной надёжности против взрыва РП", "рудничному взрывобезопасному РВ", "особовзрывобезопасному РО"? Какие виды взрывозащиты применяют для рудничного электрооборудования? Какие требования предъявляют к взрывозащитам вида: "повышенная защита против взрыва П"?, "взрывонепроницаемая оболочка В"?, "искробезопасная электрическая цепь И"?, "кварцевое заполнение оболочки К"?, "масляное заполнение оболочки М"? Как устанавливают область применения электрооборудования в шахте? Каковы условия применения рудничного электрооборудования с уровнями взрывозащиты РН; РП; РВ; РО?

184


РАЗДЕЛ 6 ТРАНСФОРМАТОРЫ И КОМПЛЕКТНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ПОДСТАНЦИИ Учебными целями раздела являются обретение студентами знаний относительно назначения, функциональных особенностей, особенностей конструкции и электрических схем трансформаторов и комплектных трансформаторных подстанций электропитания потребителей поверхности и подземных потребителей горных предприятий. Результатом освоения студентами материала раздела является умение расчёта мощности и выбора комплектной трансформаторной подстанции технологического участка шахты.

6.1 ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Трансформаторы напряжения применяют для преобразования напряжения переменного тока одного уровня в напряжение переменного тока другого уровня той же частоты. Для характеристики трансформаторов применяют следующие показатели: • номинальная мощность обмотки трансформаторн - указанное на щитке трансформатора значение полной мощности SНОМ (кВА) - гарантированное изготовителем при номинальном режиме эксплуатации; • номинальное напряжение обмотки трансформатора UНОМ (В) - напряжение между зажимами трансформатора, связанными с обмоткой при холостом ходе трансформатора; • номинальный ток обмотки трансформатора IНОМ (А) – ток, определяемый по номинальной мощности и номинальному напряжению обмотки трансформатора; • номинальный режим нагрузки трансформатора – режим нагрузки его номинальным током при номинальных частоте и напряжении; • напряжение к.з. пары обмоток трансформатора UК – приведенное к расчётной температуре напряжение (выраженное в процентах от номинального), которое необходимо подвести к одной из обмоток пары, чтобы в этой обмотке установился ток, соответствующий меньшей из номинальных мощностей обмоток пары при замкнутой накоротко второй обмотке пары и разомкнутых остальных обмотках; 185


• ток и потери холостого хода трансформатора iх; Рх – соответственно, ток трансформатора и потери, возникающие в трансформаторе при номинальных напряжении и частоте на первичной обмотке и разомкнутых зажимах остальных обмоток; • коэффициент загрузки трансформатора КЗ – отношение фактически отбираемой от трансформатора мощности к номинальной; • нагрузочная способность трансформатора – совокупность допустимых нагрузок и перегрузок трансформатора. Если трансформатор работает в номинальном режиме нагрузки то превышение температуры его обмоток и других элементов над температурой окружающей среды не выходит за установленные пределы, а срок службы трансформатора соответствует экономически целесообразному. В действительности нагрузка трансформатора не является постоянной, изменяется также и температура окружающей среды. Это приводит, как правило, к недоиспользованию трансформаторов по мощности. Эксплуатационные характеристики трансформаторов допускают их кратковременную работу с перегрузкой в случае, если в другую часть рассматриваемого периода работы их нагрузка была ниже номинальной. Различают систематические и аварийные перегрузки. Под допустимой систематической перегрузкой понимают ограниченную по продолжительности перегрузку трансформатора, при которой износ изоляции обмоток трансформатора за установленное время не превосходит ее износа за такое же время при поминальном режиме работы. Продолжительность допустимых систематических перегрузок шахтных трансформаторов приведена в табл. 6.1. Таблица 6.1 – Продолжительность систематических перегрузок шахтных трансформаторов Перегрузка, % от номинальной нагрузки 20 30 40 50 60 70

Продолжительность перегрузки (час.) в режиме предшествующей нагрузки, % от номинальной 20 40 60 80 4.5 8 12 14 3.0 5.0 6.5 8 2.5 3.5 4.5 5.5 1.5 2.5 3.5 4.5 0.7 1.5 2.5 3.5 0.5 1.0 1.5 2.0 186


Допустимая аварийная перегрузка трансформатора (табл. 6.2) по своей величине и продолжительности определяется нормативной документацией. Таблица 6.2 – Допустимые аварийные перегрузки трансформаторов Аварийная перегрузка 1.3 1.4 1.5 1.6 1.75 2

Допустимая продолжительность аварийной перегрузки трансформатор, мин. масляных, установленных рудничных сухих вне помещения в помещении 120 60 240 180 45 15 120 20 8 60 10 4 12

6.2 ТРАНСФОРМАТОРЫ И КОМПЛЕКТНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРНЫЕ ПОДСТАНЦИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК ПОВЕРХНОСТИ Для электроснабжения шахт применяют двухобмоточные трансформаторы с первичным напряжением 35-115 кВ и вторичным 6,3-6,6 кВ, с охлаждением естественным масляным (ТМ) или с дутьём и естественной циркуляцией масла (ТД). Трансформаторы могут быть оборудованы устройствами для регулирования напряжения под нагрузкой (ТМН, ТДН). Для электроснабжения низковольтных потребителей применяют двухобмоточные трансформаторы с масляным охлаждением, с высшим напряжением 6 кВ и низшим 0,23; 0,4; 0,69 кВ мощностью от 25 до 1600 кВА. Для шахт с обособленным питанием применяют трёхобмоточные трансформаторы с масляным охлаждением и регулированием напряжения под нагрузкой (ТДТНШ) мощностью от 10000 кВА до 40000 кВА (рис. 6.1). Вторичную обмотку трёхобмоточного трансформатора ТДТНШ напряжением 6,3 кВ используют для питания потребителей поверхности, а обмотку напряжением 6,6 кВ – для питания подземных потребителей. Применение трёхобмоточных трансформаторов в составе главных поверхностных подстанций шахт позволяет гальванически разделить сети поверхностного и подземного 187


электроснабжения. В результате, эти сети могут иметь различный режим нейтрали (при обязательном – режиме изолированной нейтрали подземных СЭС). Сопротивления изоляции поверхностной и подземной электросети гальванически не связаны между собой и не оказывают влияние друг на друга (как параллельное соединение сопротивлений). Следовательно, поддерживается высокий уровень сопротивлений изоляции СЭС. Различного рода перенапряжения, возникающие в электросети поверхности, в меньшей степени оказывают влияние на параметры подземной электросети шахты. 4

3

2

1

5 6

7

Рисунок 6.1 – Трехобмоточный трансформатор ТДТНШ: 1 – бак; 2 – вводное устройство высшего напряжения; 3 – выхлопная труба; 4 – расширительный бак; 5 – фильтр; 6 – радиатор; 7– вводное устройство низшего напряжения.

188


В настоящее время в схеме главных поверхностных подстанций шахт, оборудованных изначально двухобмоточными трансформаторами, с целью гальванической развязки подземных и поверхностных электросетей дополнительно предусматривают разделительные двухобмоточные трансформаторы с коэффициентом трансформации 1:1 ТМШ, мощностью от 2500 до 4000 кВА. Трансформаторы с масляным охлаждением снабжаются газовыми реле для защиты от чрезмерного повышения температуры внутри трансформатора и утечки масла, а так же термосифонными фильтрами 5 для непрерывной регенерации масла. Для электроснабжения перемещаемых электроустановок, а так же для элек1 3 троснабжения электроустановок с ограниченной продолжительностью использования применяют комплектные трансформа2 торные подстанции (КТП) напряжением 35/6 кВ мощРисунок 6.2 – Типовая компоновка ностью 1000…6300 кВА. КТП Они могут быть блочного типа (КТПБ) и перевозимые (ПКТПБ). Для электроснабжения низковольтных потребителей изготовляют КТП внутренней и наружной установки. КТП обеспечивают приём, преобразование и распределение электрической энергии. КТП состоит (рис. 6.2) из вводного комплектного распределительного устройства высшего напряжения 1, трансформатора 2 и распределительного устройства низшего напряжения 3. 6.3 РУДНИЧНЫЕ ВЗРЫВОБЕЗОПАСНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ И КТП Сухие взрывобезопасные трансформаторы серий 2ТСВ и ТСВ применяют для электроснабжения потребителей работающих в подземных выработках шахт опасных по газу или пыли. Трансформатор состоит из активной части, размещаемой в кожухе с ходовой тележкой. С торцовых сторон кожуха размещены вводные коробки высшего и низшего напряжения. Кожух трансформатора в зависимости от 189


мощности имеет круглое, овальное или грушеобразное сечение, оребрённую или гофрированную поверхность. Обмотка высшего напряжения имеет отводы для регулирования напряжения на ±5 % относительно номинального. Доступ к панели регулировочных отводов осуществляется через люк 5 (рис. 6.3а), размещённый на боковой стенке кожуха. Вводные устройства низшего напряжения трансформаторов мощностью 100…400 кВА допускают возможность соединения обмотки по схеме звезды или треугольника. 3

4 2 1

5

а

4

1 3

б

2

Рисунок 6.3 – Комплектные трансформаторные подстанции участка шахты: ТСВП (а); КТПВ (б)

При необходимости осуществления обособленного питания потребителей в системе подземного электроснабжения применяют разделительный трансформатор ТСВР-630/6-6. С целью компенсации потерь напряжения в трансформаторе коэффициент трансформации 190


принят равным 0.96 в режиме номинальной нагрузки. Поэтому вторичная обмотка имеет напряжение х.х. 6270 В. Для присоединения высоковольтного аппарата защиты от утечек тока вторичная обмотка соединена в звезду с выведенной нулевой точкой. Для электроснабжения подземных потребителей напряжением 380 В, 660 В и 1140 В широко применяют комплектные трансформаторные подстанции (КТП) серий ТСВП и КТПВ. Применение КТП позволяет приблизить напряжение 6 кВ возможно ближе к потребителям, обеспечить высокую мобильность перемещения, облегчить монтаж и перемещение электрооборудования. КТП состоит из следующих основных элементов (рис. 6.3): трансформатора 3, распределительного устройства высшего напряжения 2 (РУВН), распределительного устройства низшего напряжения 4 (РУНН) и ходовой части 1. В составе КТП используют трансформаторы 2ТСВ соответствующих мощностей. В конструкции подстанций использованы внутренние разгрузочные устройства (УРГ-1; УРГ-2). Они выполняют функцию клапана, и в случае взрыва метановоздушной смеси в одном из отсеков трансформаторной подстанции, открывают доступ продуктам взрыва (при их избыточном давлении) в смежный отсек (охлаждая при этом продукты взрыва до безопасной температуры). Это позволило снизить расчётное избыточное давление и снизить толщину оболочек КТП. Для спуска конденсата в нижней части кожуха установлены взрывонепроницаемые пробки, заполненные дроблёным кварцитом или стеклошариками. РУВН размещается во взрывонепроницаемой оболочке, которая с помощью фланцевого соединения крепится к кожуху трансформатора. В верхней части РУВН предусмотрена вводная коробка, а в торцевой части – откидная крышка. В оболочку встроен трёхполюсный разъединитель – выключатель нагрузки (QS) с ручным приводом, способный отключать ток нагруженного трансформатора. Его рукоятка 2 расположена на боковой стенке оболочки РУВН (рис. 6.4). Для контроля видимого разрыва контактов разъединителя в оболочке имеются смотровые окна 1. С целью недопущения быстрого износа контактных групп разъединителя установлена блокировка, не позволяющая использовать его для отключения КТП под нагрузкой. Это блокировка предусмотрена между разъединителем РУВН и автоматическим выключателем РУНН. Она обеспечивает предварительное отключение автоматического выключателя РУНН соответствующей кнопкой, толкатель 5 (рис. 6.4) которой выведен на внешнюю сторону 191


оболочки РУВН вблизи рукоятки 2 разъединителя. Только при нажатом толкателе появляется возможность поворота этой рукоятки и разъединения силовой цепи КТП со стороны ввода её трансформатора. 1

Рисунок 6.4 – Фрагмент оболочки РУВН КТП

2

1 – смотровое окно; 2 – рукоятка разъединителя 3 – толкатель кнопки отключения автоматического выключателя РУНН

3

РУНН содержит следующие аппараты и приборы (рис. 6.5): • автоматический выключатель QF серии А3700; • блок защитного отключения (БЗО) - аппарат защиты от утечек тока на землю и предварительного контроля сопротивления изоляции относительно земли в сети, отходящей от КТП (обычно – аппарат серии АЗУР); • блок максимальной токовой защиты ПМЗ с трансформаторами тока ТА1, ТА2, ТА3; • трансформатор TL 1 с вторичным напряжением 127 и 36 В для питания элементов внутренней схемы, внешнего освещения и защит. Схема его подключения позволяет обеспечить питание цепей управления и защит при отключенном выключателе QF; • выключатель SA для подключения светильников (не более двух) местного освещения; • реле К1.1 для подключения аппаратуры газовой защиты к цепи электропитания от трансформатора ТL1; • вольтметр PV, амперметр PA и килоомметр PR для контроля величин напряжения, тока и сопротивления изоляции подключенной к выходу КТП электросети с; Оболочка РУНН имеет коробку вводов для присоединения двух силовых и трех контрольных кабелей и быстрооткрываемую крышку. Крышка РУНН и высоковольтный разъединитель РУВН сблокированы так, что крышку можно открыть только при отключенном разъединителе, а включить разъединитель можно только при закрытой 192


крышке. Осуществляется эта блокировка рукояткой разъединителя, которую используют для открывания крышки оболочки РУНН. Снять

Рисунок 6.5 – Принципиальная электрическая схема КТП

эту

рукоятку с привода разъединителя можно только после отключения последнего. Комплектация КТП обеспечивает: • ручное включение и отключение силового трансформатора разъединителем QS и возможность дистанционного управления КРУ с места установки КТП; • включение и отключение вручную отходящей электрической сети автоматическим выключателем QF; • защитное автоматическое отключение отходящей электрической сети автоматическим выключателем QF вследствие срабатывания любого из его расцепителей (максимальный, нулевой, независимый, тепловой); • защиту от утечек тока на землю в отходящей электрической сети и электрическую блокировку, исключающую подачу напряжения в отходящую сеть низшего напряжения при недопустимом снижении сопротивления ее изоляции; 193


• проверку работоспособности защит КТП и световую сигнализацию об их срабатывании (лампами HL1, HL2 и HL3). Учитывая, что максимальные расцепители автоматического выключателя (серии А3700) имеют фиксированную уставку срабатывания (2400 или 2500 А, в зависимости от модификации автоматического выключателя) с целью выявления более низких токов короткого замыкания в составе КТП (РУНН) предусмотрена дополнительно максимальная токовая защита типа ПМЗ, имеющая 9 уставок срабатывания. Температурная защита обмоток трансформатора осуществляется на основе использования двух термореле датчика ДТР-3М.. Их контакты (1Т 0, 2Т 0), контакты исполнительных реле максимальной токовой защиты ПМЗ, защиты от утечек тока на землю АЗУР (блок БЗО), соответственно, К3.1 и К2.3, а также контакты блокировочной кнопки SB1 включены последовательно в цепь питания выпрямителя VC и нулевого расцепителя FV автоматического выключателя QF. Для повышения надёжности защитного отключения выключателя защитой ПМЗ и блоком БЗО контакты исполнительных реле ПМЗ и БЗО, соответственно, К3.2 и К2.2, включены в цепь независимого расцепителя YAT . Перед включением автоматического выключателя QF его необходимо взвести. Для этого кнопкой SB2 шунтируются резисторы R. Выбор комплектной трансформаторной подстанции. КТП выбирают по полной расчётной мощности исходя из условия:

Sн ≥ S р .

Для определения расчётной мощности используют метод коэффициента спроса Кc , который учитывает степень загрузки и одновременность работы двигателей, а также их к.п.д. и к.п.д. сети. Значение коэффициента спроса для различных групп установок приведены в «Инструкции по проектированию электроустановок угольных шахт, разрезов и обогатительных фабрик». Для комплексно-механизированных участков его определяют по формуле [17]:

P K c = 0.4 + 0.6 max , P∑ где Рmax – номинальная мощность наиболее мощного потребителя; РΣ – суммарная номинальная мощность всех потребителей. Расчётная мощность потребителей электроустановки (участка): 194


SP =

K c P∑ cos ϕ ср.взв.

,

где cos ϕср. взв. – средневзвешенный коэффициент мощности. Его рекомендуемое значение приведено в той же инструкции. С учётом номинальных (паспортных) коэффициентов мощности электродвигателей потребителей величина средневзвешенного коэффициента мощности потребителей участка может быть определена по формуле: Р нi cos ϕ нi ∑ cos ϕ ср .взв = , ∑ Pнi где Pнi ; cosφ нi - соответственно, номинальная мощность и номинальный (паспортный) коэффициент мощности i – го потребителя участка шахты.

(

)

Решение примеров Пример 6.1. Выбрать КТП для комплексно-механизированного участка с суммарной мощностью потребителей РΣ=560 кВт. На участке наиболее мощным потребителем является комбайн РКУ-10 с электродвигателем ЭКВ4-200У5, мощностью 200 кВт. Решение. Коэффициент спроса на участке будет равен:

K с = 0.4 + 0.6 Расчётная мощность:

Sр =

200 = 0.61. 560

0.61 ⋅ 560 = 569 кВА. 0 .6

Для данного участка следует принять КТП типа КТПВ-630/6 мощностью 630 кВА. Вопросы для самоконтроля

1. 2. 3.

Какими основными показателями характеризуют трансформаторы? Какие и какой продолжительности перегруз допускают трансформаторы? Какие трансформаторы и КТП применяют на поверхности шахт? 195


4.

Какие трансформаторы и КТП применяют в подземных выработках? 5. Из каких основных узлов состоят рудничные КТП? 6. Какие основные узлы содержат РУВН? 7. Какие аппараты и средства защиты размещают в РУНН? 8. Как осуществляют регулирование напряжения в трансформаторах и КТП? 9. Какие функции выполняют схема и конструкция КТП? 10. Какие блокировки предусмотрены в КТП?

196


РАЗДЕЛ 7 КОММУТАЦИОННЫЕ АППАРАТЫ Учебными целями раздела являются обретение студентами знаний относительно назначения, функциональных свойств, особенностей конструкции и электрических схем рудничных силовых коммутационных аппаратов, а именно: автоматических выключателей, разъединителей, выключателей нагрузки и высокого напряжения, комплектных распределительных устройств, магнитных пускателей (включая силовые контакторы) и станций управления. Результатом освоения студентами материала раздела является умение выбирать тип силового коммутационного аппарата с учётом его назначения и в соответствии с условиями применения. 7.1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ Назначения и функции. Коммутационные аппараты предназначены для размыкания и замыкания электрической цепи. Они могут выполнять следующие функции: • оперативные – производство всех необходимых включений, отключений и переключений, требуемых нормальным режимом работы установки; • защитные – отключение, присоединения с достаточным быстродействием при возникновении аварийного или ненормального режима работы. Обеспечение безопасности обслуживающего персонала при эксплуатации, осмотре и ремонте достигается соответствующими схемными решениями и конструкцией аппаратов, в частности, применением блокировок [21, 24, 25]. Классификация коммутационных аппаратов может быть проведена по ряду признаков: напряжению, назначению, принципу действия, области применения и др. Ниже приведена классификация аппаратов по ряду наиболее важных признаков [21, 22, 23].

197


По номинальному напряжению: аппараты низкого напряжения с номинальным напряжением до 1000 (1140) В; аппараты высокого напряжения с номинальным напряжением выше 1000 (1140) В. По назначению: аппараты для коммутации электрической цепи, находящейся только под напряжением, когда по ней не проходит ток (разъединители); аппараты для заземления отдельных участков электрической цепи (заземляющие разъединители); аппараты для коммутации электрической цепи с отключением тока, не превышающего номинальный ток аппарата (выключатели нагрузки, контакторы); аппараты для коммутации электрической цепи при нормальном и аварийном режиме ее работы (высоковольтные выключатели, автоматические выключатели). По способу гашения дуги: масляные (гашение дуги осуществляется в масляной среде); воздушные; вакуумные. По способу коммутации: контактные, в которых коммутация осуществляется механическим перемещением токоведущих контактов; бесконтактные, в которых коммутация выполняется ключевыми элементами (силовые тиристоры, транзисторы). По способу управления: с ручным управлением, (перемещение токоведущих частей осуществляет оператор вручную); с дистанционным и автоматическим управлением, (перемещение токоведущих частей осуществляется посредством электромагнитов или электродвигателей, а в аппаратах с бесконтактной коммутацией – электронными ключевыми элементами). Классификация производится также по ряду других факторов: по роду защиты от воздействия окружающей среды (в исполнениях – открытом, защищённом, рудничном нормальном, взрывозащищённом и др.); конструкции (с отдельным приводом, со встроенным приводом, однополюсное, либо трёхполюсное исполнение и др.); по роду тока (постоянный или переменный ток). К основным элементам коммутационных аппаратов относятся: контактная система, дугогасительные устройства, механизмы свободного расцепления, приводы для включения и отключения аппарата, расцепители и устройства защиты, блоки вспомогательных контактов. Собранный коммутационный аппарат размещается в оболочке рудничного исполнения. Контактная система в коммутационных аппаратах представлена неразмыкаемыми и размыкаемыми контактами. Детали неразмыкаемых контактов в процессе эксплуатации не перемещаются от198


носительно друг друга. Они могут быть разборными и неразборными. В разборных контактах разъединение и соединение осуществляется без их разрушения с помощью болтов, шпилек, винтов и др. Конструкция разборного контактного соединения должна обеспечивать надёжное неослабеваемое прижатие контактных поверхностей и минимальное переходное сопротивление. В неразборных соединениях разъединить детали можно только разрушив соединение. Неразборные соединения обеспечивают стабильность переходного сопротивления и практически исключают надзор и обслуживание при эксплуатации. Для передачи тока с подвижного контакта на неподвижный используют подвижные неразмыкаемые соединения (гибкую связь). Для обеспечения необходимой эластичности гибкую связь изготавливают из тонкой медной ленты или многожильного жгута, сплетенного из тонких медных жил. Размыкаемые контакты предназначены для осуществления соединения и разъединения электрических цепей в процессе работы электроустановки. К ним относятся контакты выключателей, разъединителей, контакторов и др. Размыкаемые контактные соединения состоят из неподвижных и подвижных контактов. Широкое применение находят размыкаемые контакты, ножевого типа, мостиковые самоустанавливающиеся, торцевые, розеточные, роликовые, с перекатыванием подвижного контакта (пальцевые) и др. Для характеристики конструкций размыкаемых контактов используют следующие параметры (рис. 7.1): • раствор контактов – кратчайшее расстояние между поверхностями подвижного 1 и неподвижного 2 контактов в разомкнутом состоянии; • провал – расстояние δ, на которое может сместиться подвижный контакт, если убрать неподвижный. Для обеспечения надёжной работы кинематику контактной системы выполняют так, контакты соприкасаются Рисунок 7.1 – Конструкция что раньше, чем подвижная система размыкаемых контактов дойдёт до упора. Для этого кон199


такт 2 крепится к подвижной системе 5 через пружину 4. Поэтому после соприкосновения подвижного контакта 2 с неподвижным 1, он останавливается, а подвижная система 5 продвигается ещё до упора, сжимая дополнительно при этом контактную пружину 4. Величина провала определяет величину износа контактов. Контактное нажатие – сила, сжимающая контакты в месте их соприкосновения. Различают начальное нажатие в момент начального соприкосновения контактов и полное нажатие при полном провале контактов. Площадь соприкосновения. В электрическом контакте различают кажущуюся и физическую площади соприкосновения. Кажущаяся площадь соприкосновения определяется размерами поверхности контакта. Контактные поверхности соприкасаются не всей площадью, а лишь отдельными микроскопическими площадками через бугорки и шероховатости. Поэтому физическая площадь будет меньше кажущейся и не должна быть менее 2/3 кажущейся. Размыкаемые контактные системы, предназначенные для отключения токов короткого замыкания должны обеспечивать длительное протекание номинальных токов в нормальном рабочем режиме и отключать без повреждения большие токи короткого замыкания. Для удовлетворения первого требования контакты должны иметь минимальное переходное сопротивление. Однако соответствующие металлы (медь, бронза) являются недугостойкими. Для удовлетворения второго требования следует применить дугостойкие материалы, которые имеют, как правило, большое переходное сопротивление и непригодны для продолжительного проведения тока. В связи с этим в силовых электрических аппаратах применяют либо многоступенчатые контактные системы, либо одноступенчатые из металлокерамических материалов, обладающих высокими электрической проводимостью и дугостойкостью. Основные требования к коммутационным аппаратам. Вне зависимости от специфики применения, все коммутационные аппараты должны удовлетворять ряду общих требований [21, 23, 25]: • контакты аппаратов должны включать и отключать токи всех рабочих режимов, а аппаратов для отключения токов короткого замыкания также и эти токи; • электрическая изоляция аппарата должна выдерживать перенапряжения, обусловленные условиями эксплуатации; 200


температура токоведущих элементов и деталей аппарата в процессе эксплуатации не должна превосходить величины, установленной нормативными документами; • оболочки должны надёжно защищать детали аппаратов от механических повреждений и воздействия окружающей среды; • аппараты для частого включения и отключения должны иметь высокую износостойкость; • конструкции аппаратов должны обеспечивать удобство их монтажа, эксплуатации, предупреждать опасность поражения человека электрическим током. Исходя из специфических условий эксплуатации, рудничные электрические аппараты должны иметь как можно меньшие габариты и массу, быть простыми по устройству; их конструкция должна позволять в условиях шахты производить быструю замену сменных функциональных блоков и не требовать их дополнительной настройки. Выбор коммутационных аппаратов. Длительная надёжная работа аппаратов обеспечивается их правильным выбором, который производят по следующим параметрам. По напряжению. Необходимо чтобы номинальное напряжение аппарата UН.А. соответствовало номинальному напряжению электротехнического комплекса UН.У., в составе которого он эксплуатируется UН.А. = UН.У. (7.1) По номинальному току. Правильный выбор аппарата по номинальному току IН.А. не допускает перегрев отдельных частей аппарата выше допустимых значений. Должно быть выполнено условие: IН.А. ≥ IР.М., (7.2) где IР.М – максимальный действующий расчётный (рабочий) ток электропотребителя, включаемого данным аппаратом. По номинальному току (мощности отключения). Правильный выбор по этому параметру обеспечивает надёжное отключение электрической цепи при коротком замыкании. При этом должно быть выполнено условие: IН.О. ≥ I(З)К.З.MAX, (7.3) •

(7.4) SН.О. ≥ S(З)К.З.MAX. (З) (З) где I К.З.MAX, S К.З.MAX – максимальное расчётное значение, соответственно, тока и мощности трёхфазного короткого замыкания в момент его отключения. 201


Проверка на электродинамическую стойкость. Правильный выбор по этому параметру исключает механические повреждения и деформации, нарушающие работу аппарата. Для этого необходимо, чтобы допустимый ударный ток іУ.ДОП. был не менее расчётного ударного тока короткого замыкания іУ.РАСЧ. іУ.ДОП. ≥ ІУ.РАСЧ. (7.5) Проверка на термическую стойкость. Термическую стойкость проверяют из условия протекания через аппарат установившегося тока короткого замыкания І∞ в течение максимального времени, обусловленного срабатыванием защиты по формуле: ІН.Т.С. = І∞

tn t н.т.с.

,

(7.6)

где ІН.Т.С. – номинальный ток термической стойкости, который аппарат может выдержать без повреждения в течение времени tН.Т.С. по данным завода; tП – приведенное время действия тока короткого замыкания. 7.2 АВТОМАТИЧЕСКИЕ ВЫКЛЮЧАТЕЛИ Рудничные автоматические выключатели (АВ) предназначены для оперативных (вручную) включений и отключений подземных распределительных пунктов (РП) систем электроснабжания технологических участков (установок). Кроме этого, автоматические выключатели производят автоматическое отключение (механический разрыв трёхфазной силовой электрической цепи) присоединённых к ним РП в случае возникновения короткого замыкания в отходящем от АВ присоединении; исчезновения (либо снижении более, чем до 60% от номинального) напряжения в электрической сети; при срабатывании внешней защиты (защита от утечек тока на землю; автоматическая газовая защита и т.п.), электрически воздействующей на АВ.. Компоновка рудничного автоматического выключателя (рис. 7.2) предусматривает размещение внутри взрывозащищённого корпуса (оболочки) выключателя, и ряда дополнительных устройств управления и защиты (в зависимости от модификации АВ). К ним относятся: - устройство максимальной токовой защиты ПМЗ (обеспечивает возможность регулирования величины уставки срабатывания защиты от коротких замыкания в сети на выходе АВ): - блок контроля изоляции БКИ (обеспечивает недопущение включения АВ при снижении сопротивления изоляции отходящего 202


присоединения ниже допустимого уровня; - блок дистанционного отключения выключателя (БДО). В качестве выключателя применяется аппарат серии А3700, (рис. 7.3), обладающий высокими параметрами быстродействия и коммутационной способности

Рисунок 7.2 – Компоновка автоматического выключателя серии АВ 1- корпус; 2 – силовые проходные зажимы; 3 панель индикации; 4 – эксцентрик; 5 – блокировочная скоба; 6, 7 – рукоятки привода, соответственно, разъединителя и выключателя; 8 – блок ПМЗ; 9 – выключатель; 10 – блок БКИ; 11 – заземляющий зажим; 12 – клеммник; 13 – блок БДО; 14 – трансформатор; 15 – привод выключателя; 16 – ручка привода кнопок (17)

К основным элементам выключателя относятся следующие. Дугогасительные устройства. Контактное размыкание находящейся под напряжением электрической цепи, проводящей ток, как правило, сопровождается электрическим разрядом между расходящимися контактами. Воздушный промежуток между ними ионизируется и на некоторое время становится проводящим – в нем возникает дуга. Физически процесс отключения электрической цепи состоит в деионизации воздушного промежутка между контактами. В этом случае воздушный промежуток превращается в диэлектрик, вследствие 203


чего прекращается электрический разряд. Деионизация связана с рассеянием энергии дуги и ее охлаждением. Для гашения дуги в силовых коммутационных аппаратах применяют специальные дугогасительные устройства (ДУ). Известны несколько способов гашения дуги: увеличение её длины, повышение давления, охлаждение дуги, использование околоэлектродного падения напряжения, перемещение дуги под действием магнитного поля и др.

Рисунок 7.3 – Устройство выключателя серии А-3700: 1- корпус; 2 – пламегаситель; 3 – дугогасительная камера; 4 – крышка; 5 – контакты; 6 – металлокерамические накладки; 7 , 8 – ломающиеся рычаги; 9 – рукоятка; 10 – пружина; 11 – рычаг; 12 – собачка; 13 – отключающая рейка; 14 – сердечник; 15 – якорь максимального расцепителя; 16 – контактный рычаг; 17 – контакты токоограничивающего устройства

Для окончательного гашения пламени, вызванного горением дуги, в ДУ предусматривают пламегасители. Механизм свободного расцепления (МСР) позволяет: • обеспечить моментное включение и отключение аппарата со скоростью, не зависящей от оператора, рода и массы привода; • исключить возможность удержания контактов аппарата во включенном положении при срабатывании защит. Механизм свободного расцепления представляет собой систему взаимосвязанных ″ломающихся″ рычагов. Во включенном положении при нормальном режиме работы (рис. 7.4б) звенья 3 и 4 составляют один жёсткий рычаг, так как центр шарнира 0 лежит несколько ниже 204


«мёртвого» положения. Контакты 1, 2 в этом состоянии замкнуты. При срабатывании защиты толкатель 5 ломает рычаг (рис. 7.4в). Под действием пружины 7 контакты размыкаются. Для подготовки к новому включению МСР необходимо взвести. Для этого звенья 3 и 4 необходимо установить (путём поворота рукоятки 6) в положение, при котором он вновь образует жёсткий рычаг (рис. 7.4а).

Рисунок 7.4 – Механизм свободного расцепления с ломающимися рычагами: а) подготовлено к включению; б) включено; в) отключено автоматически.

Привод служит для включения и отключения коммутационного аппарата. Он может быть с ручным и с дистанционным управлением. Ручные приводы применяют для управления аппаратами с небольшим моментом включения (усилие на рукоятке привода не более 250Н) обычно для аппаратов небольшой мощности. Для аппаратов с дистанционным управлением применяют различные типы электродвигательных или электромагнитных приводов. Расцепители – элементы коммутационных аппаратов, контролирующие заданный параметр цепи и воздействующие на МСР (отключение силового коммутационного аппарата) в случае, если величина контролируемого параметра превысила предельно допустимое значение. К электромагнитным расцепителям относятся: максимальные – для отключения аппарата при коротком замыкании и перегрузках; нулевые – для отключения при снижении напряжения ниже определённого уровня; независимые – для дистанционного, автоматического отключения коммутационного аппарата при срабатывании внешних защитных. Обмотка независимого расцепителя рассчитана на кратковременный режим работы. Тепловые расцепители (с биметаллической пластиной) применяются для отключения коммутационного аппарата при токовых перегрузках. 205


7.3 РАЗЪЕДИНИТЕЛИ И ВЫКЛЮЧАТЕЛИ НАГРУЗКИ

Разъединители предназначены для включения и отключения электрической цепи при отсутствии или малой величине тока. Они создают видимый разрыв электрической цепи и этим обеспечивают безопасность производства работ на отключенном присоединении. Разъединители не имеют устройств для гашения дуги. Поэтому их нельзя использовать для отключения больших токов нагрузки и тем более аварийных токов, так как это может привести к образованию дуги на контактах и, как следствие, к междуфазному короткому замыканию в разъединителе. Разъединители изготовляют для внутренней РВ и наружной РН установки. Они могут быть однополюсными РВ1, РН1 или трёхполюсными РВ3, РН3 (рис. 7.5).

Рисунок 7.5 – Конструкция разъединителя: 1- подвижные контакты; 2- выводы; 3- блокировочная кнопка (устанавливается в зависимости от назначения разъединителя); 4 – неподвижные контакты; 5 – вал; 6 – фиксатор; 7 – изоляционные втулки Разъединитель состоит из трёх полюсов, установленных на раме. Подвижные контакты всех полюсов закреплены в изоляционных корпусах на общем валу, который поворачивается под действием рукоятки, либо привода. Подвижный контакт выполнен в виде двух параллельных шин, которые прижаты друг к другу упругими элемента206


ми (пружинами, рессорами). При включении разъединителя каждый подвижный контакт охватывает с двух сторон соответствующий неподвижный контакт (ножевого типа).

Рисунок 7.6 – Выключатель нагрузки 1 - рама; 2 - изолятор; 3 - дугогасительная камера; 4 - дугогасительный нож; 5 - фарфоровая тяга; 6 - вал Особым типом разъединителя является заземляющий разъединитель, применяемый для закорачивания всех трёх фаз сети и замыкания их на землю. Он отличается от обыкновенного разъединителя тем, что должен быть рассчитан на пропускание кратковременного тока замыкания на землю. Выключатели нагрузки (ВН) предназначены для включения и отключения электрических цепей при номинальной нагрузке. Такие выключатели отличаются от разъединителей тем, что имеют дугогасительные устройства (рис. 7.6). Дугогасительную камеру 3 с узкой щелью устанавливают на неподвижные контакты. Внутри камеры помещают вкладыши из газогенерирующего материала. При включении разъединителя в щель камеры входит дугогасительный нож 4. Во включенном состоянии ток проходит через главные и дугогасительные контакты. При отключении выключателя сначала размыкаются главные контакты (при этом дуга не возникает, так как они зашунтированы дугогасительными контактами). При размыкании дугогасительных контактов возникает дуга, которая вызывает выделение из вкладышей большого количества газов, что создаёт повышение их давления внутри камеры и продольное дутье охлаждающее, и быстро 207


гасящее дугу. Такое дугогасительное устройство не способно обеспечить гашение дуги при коротком замыкании, поэтому последовательно с выключателем нагрузки предусматривают предохранители. 7.4 ВЫКЛЮЧАТЕЛИ ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ Выключатели предназначены для включения и отключения электрических цепей во всех возможных режимах эксплуатации, как нормальных, так и аварийных. Наиболее тяжёлым режимом работы выключателя является коммутация тока короткого замыкания. В настоящее время в системах электроснабжения применяют масляные, воздушные и вакуумные выключатели [22, 23, 24, 25]. Масляные выключатели бывают с большим (баковые) и с малым (маломасляные) объёмом трансформаторного масла. В баковых выключателях (ВМБ) токоведущие части изолируются между собой и от земли с помощью масла. В таких выключателях масло используется также как среда для гашения дуги. При образовании дуги вокруг неё образуется газовый пузырь (рис. 7.7), содержащий проРисунок 7.7– Гашение дуги в масле дукты разложения масла (водород, ацетилен, метан и др.), обладающие высокой теплопроводностью. Это обеспечивает хорошую дугогасящую способность масла. В газовом пузыре повышается давление, которое усиливает конвекцию и увеличивает охлаждение дуги. Кроме того, оно повышает восстанавливающуюся прочность остаточного ствола дуги. Электродинамические силы смещают дугу к краю газового пузыря в сторону более холодных газов, что позволяет быстро её погасить. В маломасляных выключателях масло используется как среда для гашения дуги потоком газомасляной смеси, которая образуется в результате разложения трансформаторного масла под действием дуги. Этот поток получает определённое направление в дугогасительном устройстве вследствие применения продольного, поперечного, либо смешанного способа дутья (рис. 7.8). Во включенном положении каналы 3, 4 для перемещения газомасляной среды закрыты под208


вижным контактом 2. При размыкании контактов, пока каналы закрыты контактом 2, газы, образующиеся при разложении масла, сжимают воздух в буферной области 6. После открытия поперечных каналов газомасляная смесь под влиянием сжатого воздуха создаёт дутье, поперечное дуге и гасит её. Для включения выключателя применяют ручные приводы, а так же приводы, позволяющие осуществить дистанционное управление выключателем (электромагнитные, моторнопружинные). Воздушные электромагнитные выключатели имеют следующие существенные преимущества перед масляными: они пожаробезопасны; не требуют наличия специальной дугогасящей среды; имеют низкий уровень коммутационных перенапряжений; обеспечивают чистоту, облегчают трудоёмкость обслуживания контактов; имеют высокое быстродействие при отключении токов. Для них характерна повышенная износостойРисунок 7.8 – Конструкция дугокость и большее число коммутационгасительного устройства со сменых операций без ревизий и ремонтов шанным способом дутья [23, 24, 25]. На рис. 7.9 приведена 1 - неподвижный контакт; 2 - подвижный контакт; 3 - дутье- компоновка высоковольтного выклювой канал; 4 - дутьевая щель; 5 чателя ВЭВ-6 рудничного комплектнадкамерное пространство; 6 ного распределительного устройства буферная область (воздушная поКРУВ-6. душка) Три полюса выключателя 12 смонтированы на выкатной тележке, образованной равной 1 и боковыми швеллерами 2, 10. Соединение выключателя с системой шин осуществляется через быстроразмыкаемые розеточные контакты 6; 11. Подвижные контакты (главный 32 и дугогасящий 29) имеют вращательное движение относительно точки общей точки и приводятся в действие изоляционной тягой 36, соединённой с валом привода 39, посредством рычага 40. Дугогасительное устройство 4 расположено над контактной системой. Для улучшения гашения дуги в выключа209


теле предусмотрено пневматическое устройство 34 для создания воздушного дутья. Оно образовано гофрированной резиновой трубой с соплом. При отключении выключателя в трубе создаётся сжатый воздух, который через сопло воздействует на дугу, перемещая её вверх и включая катушки магнитного дутья.

50 49 48 47 46 45 44 43 42 41

Рисунок 7.9 – Высоковольтный выключатель ВЭВ-6 с воздушным дугогашением 1- рама ; 2, 10 – швеллер, 3 – ролик; 4 – дугогасительная камера; 5, 8 – экран: 6 – входные розеточные контакты; 7 – перегородка; 9 – распорка; 11 – выходные розеточные контакты; 12 – полюс выключателя; 13, 49 – крышка; 14, 31, 37 – изолятор; 15- шина; 16 – контактодержатель; 17 – пружина возвратная; 18 контакт неподвижный дугогасительный; 19, 35 – гибкая связь; 20 – контакт неподвижный главный с контактодержателем (21); 22 – растяжка; 23 – скоба; 24, 26 - винт; 25 – подставка изолирующая; 27 – нож отделителя; 28 – газогенерирующая пластиковая вставка; 29 – контакт подвижный дугогасящий; 30 – панель изоляционная; 32 – контакт подвижный главный; 33 – пружина демпферная; 34 – пневматическое устройство; 36 – тяга изоляционная; 38 – плита полюса; 39 – вал привода; 40, 43 – рычаг; 41 – замок отключения; 42 – кулачок профильный; 44 – собачка; 45 – пружина отключающая; 46 – электромагнит отключения; 47 – тяга; 48 блок питания электромагнита взведения; 50 – реле максимальное токовое

Камера дугогашения имеет две стеклоэпоксидные щели, образующие разъёмный корпус. Внутри корпуса помещён чередующийся набор керамических пластин. Принцип действия дугогасительного устройства виден из рис. 7.10 [24, 25]. 210


При размыкании дугогасительных контактов 1, 2 возникает дуга А, которая под действием собственных электродинамических сил и воздуха из пневматического устройства перемещается в положение Б. При перемещении вверх дуга касается дугогасящего рога 5 и включает катушку магнитного дутья 3 в коммутируемую цепь последовательно. Силы взаимодействия тока дуги и магнитного поля катушки перемещают дугу вверх и затягивают её в ДУ. При перемещении дуги в положение Г правый конец дуги переходит на дугогасительный рог 4 и включается вторая катушка магнитного дутья 6. Ток дуги, проходя по виткам катушек, возбуждает электромагнитное поле, под действием которого дуга втягивается в зону гашения. В результате, дуга движется с большей скоростью и затягивается в узкую щель между керамическими плитками 7. По мере передвижения вверх дуга деформируется, принимая зигзагообразную форму Е, удлиняется и тесно соприкасается с пластинами. В результате интенсивного охлаждения от соприкосновения с плитками ДУ дуга при переходе через нуль тока гаснет. В момент гашения активное сопротивление дуги будет больше индуктивного и ёмкостного сопротивления коммутируемой цепи. При этом сдвиг фаз между током и напряжением цепи уменьшается, что приводит к облегчению восстановления напряжения на контактном проРисунок 710 – Дугогасительное межутке и снижению вероятности поустройство вторного зажигания дуги. В выключателе применён встроенный соленоидно-пружинный привод, позволяющий осуществить дистанционное, местное и ручное управление Вакуумные выключатели получают все большее распространение в силовых коммутационных устройствах. Их преимущества перед масляными и воздушными следующие: • полная взрыво- и пожаробезопасность, отсутствие выбросов продуктов горения дуги в окружающее пространство; • отсутствие необходимости в специальной дугогасящей среде; 211


высокие быстродействие и коммутационная износостойкость; простота конструкции и технического обслуживания; малые размеры и масса; высокая надёжность и ресурс. Недостатком вакуумных выключателей является создание ими больших перенапряжений при отключении индуктивной нагрузки. Основной составной частью такого выключателя является вакуумная дугогасительная камера (рис. 7.11), включающая следующие основные элементы: изоляционную камеру 1, сильфон 5, подвижный 2 и неподвижный 6 контакты, верхний 4 и нижний 7 фланцы, экран 3. Подвижный контакт 2 с контактным стержнем установлен в сильфоне 5 из нержавеющей стали. Сильфон представляет собой цилиндрическую эластичную гармошку, допускающую возможность осевого перемещения подвижного контакта 2. Поверхность сильфона связана с Рисунок 7.11 – Дугогасительная атмосферой, что обеспечивает накамера вакуумного выключателя жатие подвижного контакта на неподвижный с силой, равной произведению площади сильфона на атмосферное давление. Этого усилия достаточно для пропускания через контакты выключателя относительно небольшого тока. При необходимости коммутации (пропускания) повышенных токов для получения необходимой динамической стойкости требуется установка дополнительной пружины, создающей необходимое прижатие контактов. Система экранов 3 защищает поверхность изоляционного корпуса 1 от напыления паров металла, образующихся от гашения дуги, обеспечивает выравнивание электрического поля между контактами, что повышает электрическую прочность. Гашение электрической дуги в вакуумной камере происходит в среде с давлением 10-4Па (10-6мм.рт.ст.). Поэтому электрический пробой между электродами затруднён из-за отсутствия носителей зарядов. Пробивное напряжение промежутка длиной 1 мм в вакууме дос• • • •

212


тигает 100кВ. Следовательно, в вакуумных выключателях обеспечивается быстрое гашение дуги при сравнительно малом ходе размыкающих контактов.

1

2 3

4 5 6

а

б

Рисунок 7.12 – Вакуумный высоковольтный выключатель серии ВР а – общий вид; б – конструкция полюса выключателя; 1- верхний контакт; 2 – вакуумная дугогасительная камера; 3 – литой из эпоксидного компаунда корпус полюса; 4 – гибкая связь; 5 – нижний контакт; 6 – пружины поджатия; 7 – изоляционная тяга В системах электроснабжения шахт находят применение вакуумные выключатели типов ВВ-10, КВТ-6, ВНВП-10, ВВВ-10, ВВТЭ20; ВР и др. Конструкция высоковольтного вакуумного контактора ВР приведена на рис. 7.12 [24]. Выключатель состоит из трёх полюсов и электромагнитного привода. При включении выключателя электромагнитным приводом сжимаются пружины подвижных контактов, в результате чего освобождается ход последних в сторону неподвижных контактов вследствие разности давлений внутри и снаружи вакуумной камеры. При отключении выключателя электромагнит обесточивается и прекращает воздействовать на пружины подвижных контактов. Последние, разжимаясь перемещают подвижные контакты выключателя, размыкая силовую цепь. 213


7.5 КОМПЛЕКТНЫЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА (КРУ) ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ До создания КРУ на строительство подстанций и распределительных устройств (РУ) выключатели, разъединители, аппаратура и приборы поставлялись россыпью. Монтаж их производился в пожаробезопасных камерах (ячейках), которые были ранее построены в ЗРУ. Опыт создания и эксплуатации высоковольтных распределительных устройств общего назначения показал Опыт строительства РУ показал, что заводское изготовление полностью смонтированных и отрегулированных крупноблочных устройств обеспечивает высокий уровень индустриализации работ и сокращение срока строительства РУ. В связи с этим, в настоящее время, изготавливают распределительные устройства полностью укомплектованными необходимым оборудованием для монтажа на месте эксплуатации. Такие устройства получили название комплектных распределительных устройств (КРУ). Применение КРУ имеет следующие преимущества: сокращаются объем и время проектирования РУ; значительно сокращаются размеры и объем помещений РУ; значительно уменьшается объем и трудоёмкость строительномонтажных и пуско-наладочных работ; повышается надёжность и безопасность эксплуатации. Состав КРУ может быть различным. В зависимости от главного элемента различают КРУ с выключателями, с трансформаторами, с кабельными или воздушными вводами и т.д. Все возможные схемы исполнения КРУ определённого типа проводят в соответствующих технических описаниях и справочниках [26; 38]. Различают КРУ: выдвижного (с размещением аппаратов на выдвижной тележке) и стационарного исполнения (без выдвижных элементов). В системах электроснабжения шахт работают ранее изготовлявшиеся КРУ серий КРУ2-10Э, КР-10, КРУ-ХІІ и др. В настоящее время изготовляют более совершенное КРУ серий КМ-1; КВ-1; К104; КЭ-10; КУ-10 и др. Они отличаются: меньшими габаритами и массой; повышенной локализационной способностью за счёт введения межотсечных перегородок; простотой и удобством обслуживания; более высокими параметрами коммутации и быстродействия; расширенной сеткой схем главных и вторичных цепей; более высокой степенью надёжности и безопасности. 214


Выключатель КРУ 9 с тележкой 7 помещён в шкаф 8 (рис. 7.13). Лицевая сторона шкафа закрывается дверью со съёмной рукояткой 5. Внутри шкафа размещены: шинный 3 и линейный 12 разъединители, два трансформатора тока 10, трансформатор напряжения 11, высоковольтный предохранитель, трансформатор тока нулевой последовательности 1, панель управления 4, откидной рельс 6 с выкатным устройством.

Рисунок 7.13 – Общий вид шкафа КРУРН-6 отходящих присоединений

Выкатная часть позволяет быстро производить ревизию, профилактические осмотры, а также замену оборудования в случае необходимости. Трансформаторы тока, встраиваемые в КРУ имеют литую изоляцию. Измерительные приборы, устройства управления, защит и сигнализации помещают в верхней передней части шкафа. Большую перспективу имеют КРУ с вакуумными выключателями с более высокими электротехническими параметрами, повышенной надёжностью и меньшим габаритом и весом. Малые размеры вакуумных выключателей позволяют размещать их в несколько ярусов в шкафах стандартных КРУ. 215


Рисунок 7.14– Камера комплектная одностороннего обслуживания

Стационарные комплектные РУ типа КСО (камера сборная одностороннего обслуживания) предназначены для тех же целей, что и КРУ выдвижного исполнения (рис. 7.14). Их применяют на подстанциях и РУ с простыми схемами соединений, на которых ток короткого замыкания не превышает 20кА, где возможно применение малообъёмных выдвижных выключателей. Камера рассчитана на одностороннее обслуживание. В РУ шахт широко применяют КСО типов КСО-272, КСО285, КСО-293, КСО-366 и др. Отличительной особенностью камер КСО является стационарная установка выключателей 3 и открытое исполнение сборных шин 1. Приводы выключателей 7, рукоятки 4 приводов шинного 2 и линейного 6 разъединителей, аппаратура управления, а также приборы измерения, реле защиты и сигнализации расположены с фасадной стороны камер [16-18]. Во избежание ошибочных операций при обслуживании и ремонте в камерах КСО выполнены блокировки, не допускающие: включение и отключение шинных и линейных разъединителей при включенном вы216


ключателе или выключателе нагрузки; включение заземляющего разъединителя при включенных рабочих разъединителях; включение рабочих разъединителей при включенном заземляющем. 7.6 ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННЫЕ КОМПЛЕКТНЫЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА В системах электроснабжения подземных выработок шахт, опасных по газу или пыли применяют КРУ типов РВД-6, либо КРУВ-6, .

Рисунок 7.15 – Компоновка КРУ типа РВД-6 1- выключатель ВМБ-10; 2 – механизм подъема бака выключателя; 3 – механизм перемещения выдвижной части; 4 – привод выключателя; 5 – пост дистанционного управления; 6 – камера промежуточного трансформатора; 7 – выдвижная камера; 8 – шинная камера; 9 – кабельная муфта; 10 – стойка; 11 – контактная система выключателя

КРУ типа РВД-6 (с уровнем взрывозащиты РП) до создания взрывобезопасных КРУ было единственным устройством, применяе217


мым для коммутации электрических цепей подземного электроснабжения. В этом КРУ применён масляный выключатель ВМБ-10 (рис. 7.15). Шинная камера и камера, в которой размещены трансформаторы тока и напряжения заполнены кабельной массой. Конструктивно КРУ РВД-6 состоит из неподвижной и выдвижной частей. В состав последней входят масляный выключатель с моторно-пружинным приводом, механизмы перемещения выдвижной части и подъёма бака выключателя. Неподвижная часть состоит из стойки, на которой закреплена шинная камера с кабельными и соединительными муфтами. Такая компоновка облегчает доступ к функциональным узлам КРУ в ходе монтажа, технического обслуживания и ремонта. Применение в составе КРУ маслонаполненного выключателя и битумного состава представляет большую пожарную опасность. Кроме того, РВД-6 имеет низкую коммутационную способность. В связи с этим выпуск таких КРУ прекращён, а на шахтах производится их плановая замена более совершенными – в негазовых шахтах КРУРН-6, а в газовых шахтах КРУВ-6. Однако количество КРУ типа РВД-6, находящихся в эксплуатации ещё очень велико. Рациональность их компоновки, удобство эксплуатации, технического обслуживания подтверждены десятилетиями серийного производства этих устройств. Поэтому, наряду с освоенным серийным выпуском устройств КРУВ-6 с высоковольтным воздушным выключателем (ВЭВ6) в настоящее время КРУ серии РВД-6 модернизируются на основе замены высоковольтного масляного бакового выключателя вакуумным (рис. 7.16).

Рисунок 7.16 – Компоновка высоковольтного вакуумного выключателя в корпусе выключателя ВМБ-10 (модернизация КРУ типа РВД-6). Оболочка выключателя снята

218


Устройства КРУВ-6 (рис. 7.17) имеют четыре исполнения вводные (В), секционные (С), отходящего присоединения (ОП) и отходящего присоединения с встроенными трансформаторами тока нулевой последовательности (ОТ). Конструкции всех исполнений одинаковые и отличаются только электрическими схемами.

Рисунок 7.17 – Комплектное распределительное устройство типа КРУВ-6

КРУ типа КРУВ-6 имеет взрывозащищенный корпус 1, разделённый на камеры: выключателя 12; разъединителей 6, 10; вводные коробки 8, 9; коробки вторичных цепей 19. Камера выключателя имеет навесную дверь 4. Крышки камер разъединителей имеют по два смотровых окна для визуального контроля положения контактов разъединителей. В камере выключателя установлены: выключатель 3 на выкатной тележке, трансформатор тока 14 и напряжения 15, высоковольтный предохранитель 13 и ошиновка. Выключатель с ошиновкой соединяются штепсельным разъёмом 16. На дверях камеры выключателя установлены блоки управления 2. Во вводных коробках находятся высоковольтные проходные изоляторы с зажимами 7 для подключения жил кабелей либо шинных перемычек. Вводные коробки соединяются с трубами 21 для жёсткой комплектации КРУ. В камерах 6, 10 установлены разъединители 5, 219


11, контакты которых представлены штырями проходных изоляторов. Контакты линейного разъединителя 11 используются для закорачивания и заземления отходящего присоединения.

Рисунок 7.18 – Упрощенная электрическая схема КРУВ-6

На передней стенке корпуса размещён вал привода разъединителей, заканчивающийся блокировочным диском 23 с квадратным отверстием для установки рукоятки управления 22. В КРУ предусмотрены блокировки: между разъединителем и выключателем (исключающая отключение разъединителя при включенном выключателе); между дверью и разъединителем, (исключающая открывание двери при включенных разъединителях и включение разъединителя при открытой двери). На двери 4 расположены смотровые окна 18 для визуального наблюдения за показаниями приборов, сигнальные устройства 20 о срабатывании защит и положении выключателя, а также 220


кнопки проверки работоспособности защит, закрываемые шторкой 24. Корпус КРУ 1 установлен на салазках 25 с винтовыми домкратами 17. Схемы управления и защит КРУВ-6 всех исполнений обеспечивают следующие функции: управление выключателем, осуществляемое ручным приводом; местное и дистанционное управление кнопками, расположенными на крышке КРУ или на пульте дистанционного управления; защиту от токов короткого замыкания; защиту от токовых перегрузок и затянувшихся пусков электродвигателей; минимальную защиту; защиту от потери управляемости в цепях дистанционного управления; селективную защиту от однофазных заземлений на землю; электрическую блокировку (в КРУ отходящего присоединения) против подачи напряжения в сеть, если сопротивление изоляции относительно земли ниже допустимого, закорачивание и заземление отходящего присоединения линейным разъединителем для обеспечения безопасности при производстве работ; автоматическое включение резерва (АВР) в секционных КРУ и автоматическое повторное включение АПВ в остальных; блокировку от многократного включения при отказе механизма удерживающего выключатель во включенном положении; сигнализацию о состоянии выключателя, срабатывании защит. Электрическая схема КРУ типа КРУВ-6 (рис. 7.18) содержит силовые цепи и вторичные цепи управления и защит. В состав силовой цепи входят выключатель QF1.1 (в КРУ отходящего присоединения с короткозамыкателем), шинный QS1.1 и линейный (с короткозамыкателем) QS1.2 разъединители, трансформаторы тока ТА1, ТА2 и шины для их соединения. Схема вторичных цепей управления и защит включает: трансформатор напряжения TV для питания элементов схемы; блок питания привода выключателя; реле максимальной токовой защиты FA6, FA7 и защиты от перегруза FA10, FA11; устройство противоаварийной блокировки; блокировочное реле утечки (БРУ); устройство «нулевой» защиты; устройство однократного автоматического повторного включения (АПВ); устройства управления и сигнализации. Защита от токов короткого замыкания осуществляется встроенными в привод реле прямого действия типа РТМ (F6, F7). Регулирование установок защиты производится комбинированным способом: ступенчато – изменением числа витков катушки реле переключателем и плавно между ступенями – изменением зазора между сердечником 221


и контрполюсом. Для питания реле служат трансформаторы тока (ТТ) с двумя обмотками: измерительной (для реле) и дополнительной (для проверки функционирования защиты). При проверке на дополнительные обмотки кнопками SB7, SB8 подаётся напряжение 127В от трансформатора TV. Индуктированная в измерительной обмотке ЭДС вызывает срабатывание реле FA6 и FA7 и отключение выключателя. В шкафах отходящего присоединения предусмотрена защита от перегрузки, осуществляемая реле FA10, FA11 косвенного действия типа РТ-40 с независимой выдержкой времени. При перегрузке или затянувшемся пуске, превышающем время выдержки реле времени контакт К8.1 замыкается и отключает реле управления К1, которое отключит выключатель ВЭВ-6. 7.7 КОНТАКТОРЫ Контактор является основным функциональным узлом пускателя (станции управления) Он непосредственно выполняет коммутацию силовой цепи отходящего присоединения по командам от кнопочного поста дистанционного управления или узлов автоматического управления технологическим оборудованием. К основным элементам контактора относят: группы подвижных и неподвижных силовых контактов; механизм перемещения подвижных контактов (электромагнит); дугогасительные камеры; блок вспомогательных контактов. В зависимости от способов дугогашения различают контакторы с воздушными и вакуумными дугогасительными камерами. В угольной промышленности применяются контакторы поворотного \типа серий КТ6000, КТ7000, КТ7100У и прямоходового типа серий КТУ и КРМ. В контакторе поворотного типа, например КТ7100У (рис. 7.19), на стальной рейке 2 установлены ярмо электромагнита с катушкой 4 и три изоляционные колодки 5 с неподвижными контактами, шинами и болтами для присоединения подводящих и отходящих проводов. Подвижные контакты и якорь 3 электромагнита закреплены на изоляционном валу 1, вращающемся в подшипниках. Перемещение подвижных контактов обеспечивается поворотом вала при подаче тока в обмотку электромагнита. На рейке 2 смонтирован блок вспомогательных контактов 6, а на валу – кронштейн 7, который при повороте вала поднимает тягу с контактными мостиками, коммутируя вспомогательные контакты. 222


Подвижные и неподвижные контакты находятся в полости узкощелевых дугогасительных камер 8, выполненных из пластмассы. В этих же камерах размещены отпрессованные пластмассой катушки магнитного дутья, которые создают силу, перемещающую дугу в дугогасительные камеры. На выводе из камер расположены пламегасители в виде витых пружин

Рисунок 7.19 – Контактор КТ7123У

Конструкция контактора серии КТУ с прямоходовым якорем представлена на рис. 7.18. Их подвижные контакты 2 приводятся в движение якорем 8 электромагнита с ярмом 3 П-образной формы, закреплённом в пластмассовом корпусе 5. Обмотки электромагнита 7 установлены на обоих стержнях ярма и соединены последовательно. Якорь соединён с пластмассовой траверсой 4, в верхней части которой закреплён пластмассовый контактодержатель с подвижными контактами 2. На каждом полюсе контактора установлены по два неподвижных силовых контакта 1, включенных параллельно. При этом каждый из этих контактов имеет по две металлокерамические напайки, с которыми контактируют соответствующие напайки подвижных контактов. Между подвижными контактами укреплены дугогасительные рога 6, а каждый неподвижный контакт с дугогасительным рогом располагается в отдельной дугогасительной камере. Вспомогательные контакты смонтированы в корпусе слева и справа от ярма и коммутируются перемещением траверсы 4. Особенностью контакторов серии КТУ является гашение дуги в замкнутых объёмах дугогасительных камер с ограниченным выбросом продуктов горения дуги в атмосферу. Это позволяет резко сни223


зить концентрацию оксидов азота в оболочках рудничного взрывобезопасного исполнения и, в результате, существенно повысить надёжность работы шахтных силовых низковольтных коммутационных аппаратов. Кроме этого, одновременное разъединение фазы в четырёх точках (при отключении контактора) существенно снижает интенсивность и сокращает продолжительность горения электрических дуг между контактами.

Рисунок 7.20 Компоновка контактора серии КТУ

Контакторы новой серии КРМ отличаются меньшими габаритами. В отличие от контакторов серии КТУ в них вводные и выводные контакты расположены снизу и коммутируются подвижными контактами, перемещающимися в вертикальной плоскости посредством траверсы, связанной с якорем электромагнита (рис. 7.21). Контакторы с вакуумными дугогасительными камерами серии КВ1 и КТ-12Р (рис. 7.22) отличаются высокой электрической износостойкостью. Их вакуумные дугогасительные камеры 2 смонтированы на изоляционных панелях 3, закреплённых на стальном основании 4. Выводы неподвижного 5 и подвижного 1 контактов расположены по 224


торцам камер. Подвижный контакт 1 вмонтирован в металлический сильфон, что обеспечивает требуемую величину его перемещения. Замыкание контактов происходит под действием атмосферного давления. Поэтому в отличие от обычных, в контакторах с дугогасительными камерами, усилие создаётся с целью размыкания, а не замыкания силовых контактов. С этой целью между ярмом электромагнита 6 и якорем 9 установлена поворотная пружина 8, обеспечивающая разомкнутое состояние контактов в отключенном положении. При включении контактора якорь электромагнита сжимает пружину, высвобождая ход подвижных контактов контактора.

Рисунок 7.21 – Контактор КРМ-250 (со снятой дугогасительной камерой)

Вследствие высокой электрической прочности вакуумного зазора между контактами по сравнению с воздушным промежутком существенно повышается эффективность дугогашения и ресурс контактора. Важным его преимуществом является отсутствие выброса электрической дуги в атмосферу, что исключает появление окислов азота и термическое воздействие дуги разрушающе действующие на элементы пускателя, снижается вероятность взрыва внутри оболочки. Более высокими эксплуатационными характеристиками обладает однофазный вакуумный контактор серии SPVC производства завода «Таврида» (Украина). Комплект из трёх таких контакторов является силовым коммутационным устройством пускателя перспективной серии ПВИ-630МВ (рис 7.23). Контактор типа SPVC представляет собой вакуумную камеру с подвижным и неподвижным силовыми контактами и электромагнитно-пружинный привод, расположенные 225


внутри пластмассового корпуса 1. На вводном токовом выводе 2 внутри корпуса расположен неферромагнитный датчик тока (пояс Роговского). Внутри корпуса имеется замыкающий и размыкающий вспомогательные контакты. Выводы этих контактов, а также датчика тока и катушки контактора присоединены к соответствующим контактам соединителя WAGO 3 на внешней стороне корпуса 1 согласно электрической схемы. Токовые выводы 2 и 4 служат для присоединения внешних силовых шин. К корпусу коммутационного аппарата контактор крепится скобой 5.

Рисунок 7.22 – Компоновка вакуумного контактора типа КТ-12 Р 4

2

1

3

5

а

б

Рисунок 7. 23 – Контактор SPVC-630 (а) и его применение в составе силовой трехфазной коммутационной группы пускателя ПВИ-630МВ 226


К существенным достоинствам этого контактора следует отнести его высокую коммутационную (30000 А) и перегрузочную (возможность пропускать ток перегрузки 5040 А в течение не менее 10 с) способность, высокое быстродействие (время замыкания включения – 12+3 мс; время отключения – 7+2 мс). Встроенный датчик тока позволяет упростить систему токовой защиты пускателя, исключив из его конструкции трансформаторы токовой защиты, сократив количество соединений в силовой цепи пускателя и уменьшив, тем самым, тепловые потери, связанные с наличием болтовых соединений силовых шин. 7.8 МАГНИТНЫЕ ПУСКАТЕЛИ Магнитные пускатели предназначены для дистанционного включения, отключения и реверсирования электродвигателей технологических машин и установок шахты. В отличие от силовых коммутационных аппаратов общепромышленного назначения, рудничные магнитные пускатели характеризуются рядом дополнительных особенностей обусловленных факторами повышенной опасности эксплуатации электрооборудования в условиях шахты. Основным функциональным элементом пускателя является контактор. Вместе с блоками управления и защиты, разъединителем, трансформаторами тока и трансформатором напряжения, проходными зажимами кабельных вводов и выводов, элементами сигнализации и блокировки он заключён в металлическую оболочку. Оболочки пускателей, предназначенных для эксплуатации в шахтах, опасных по газу или пыли, имеют рудничное взрывобезопасное исполнение. В настоящее время предприятия Украины изготовляют рудничные пускатели на номинальное линейное напряжение 380 В; 660 В и 1140 В, и номинальные токи от 32 до 630 А. Основными типами рудничных пускателей, находящихся в эксплуатации, являются аппараты серий ПВИ (ПВИР); ПВ-1140; ПВВ; ПРВ; ПРВИ. Наиболее распространённой является конструкция пускателя, изображённая рис. 7.24. Его оболочка имеет четыре отделения: отделения вводов (сетевая камера) 4 и выводов (моторная камера) 8, отделение разъединителя 11 и аппаратное отделение 9.

227


Отделения вводов и выводов допускают присоединение силовых 1, 3 и контрольных 2 кабелей к проходным зажимам 6. В отделении разъединителя установлены разъединитель 12 для снятия напряжения с электрооборудования аппаратного отделения 9 без отключения пускателя от сети, и трансформаторы тока 13. В нереверсирующих пускателях предусматривают реверсирующий разъединитель. Это позволяет реверсировать подключаемый к пускателю асинхронный двигатель посредством соответствующего переключения разъединителя вручную. В аппаратном отделении пускателя серии ПВИ-…Б 9 размещён быстросъёмный контакторный блок 10, на котором установлены контактор, блок максимальной токовой защиты УМЗ, блок управления БУ и другие элементы. В реверсирующих пускателях применяют реверсирующий блок управления (БУР). В пускателях более поздних выпусков применяют усовершенствованные блоки управления и защиты с улучшенными эксплуатационными характеристиками (табл. 7.1). Пускатели ПВИ-400 МВ; ПВИ-515 МВ; ПВИ-630МВ и ряд других оснащены микропроцессорной системой управления и защиты. Соединение выемного контакторного блока с неподвижными элементами силовой цепи осуществляется быстроразъёмными контактами ножевого или притычного типа 14, а цепей защиты – штепсельными разъёмами. Аппаратное отделение закрывается быстрооткрываемой крышкой 15, а отделения разъединителя 11, ввода 4 и вывода 8 – крышками 5, 7 на болтах.

Рисунок 7.24 – Компоновка пускателя ПВИ 250 Б 228


Таблица 7.1 Сопоставление функциональных возможностей блоков управления и защит пускателей Функция Дистанционное управление контактором; нулевая защита, защита от потери управляемости пускателя Блокировка включения пускателя при повреждении изоляции отходящего присоединения Максимальная токовая защита Защита от токовых перегрузок подключенных электродвигателей

Наименование блоков пускателей Серия ПВИ -…Б

Серия ПВИ -…БТ

БУ (БУР)

БДУ

БРУ (в составе БУ или БУР)

БКИ

УМЗ отсутствует

ПМЗ ТЗП

Пускатели серии ПРВ и ПРВИ имеют три отделения вместо четырёх (как в пускателях ПВИ) и два разъединителя: один для снятия напряжения, второй для реверсирования. Для защиты от токов к.з. и перегруза применён один блок БТЗ вместо двух блоков (ПМЗ и ТЗП в пускателях ПВИ). В настоящее время ЗАО «ТЭТЗ – инвест» изготовляет пускатели серии ПВИ…М (ПВИ…МВ) с рабочими токами силовой цепи 32…630 А (рис. 7.25). В их корпусах предусмотрено три отделения: выводов І, сетевое ІІ и контакторное ІІІ. В аппаратном отделении расположен контакторный блок 8, состоящий из каркаса, на котором смонтированы контактор, трансформатор и блок питания. В сетевом отделении расположен также разъединитель 3. На быстрооткрываемой крышке расположена съёмная панель с блоками защит и управления 11. Расположение элементов защит и управления на отдельной от контактного блока панели позволяет исключить воздействия на них ударных нагрузок, возникающих при включении и отключении контактора. В пускателях предусмотрена механическая блокировка, обеспечивающая их безопасное техническое обслуживание, связанное с открыванием крышки аппаратного отделения. Блокировка препятствует открыванию этой крышки при неотключенном разъединителе и не позволяет включить разъединитель при открытой крышке. Этим исключается подача напряжения на элементы схемы аппаратного отделения, если открыта его крышка. 229


Рисунок 7.25– Пускатель серии ПВИ-…М

Рисунок 7.26 – Механизм блокировки быстрооткрываемой крышки пускателя 1 – кнопка «Стоп»; 2 – скоба поворотная; (расположены в контакторном отсеке); 3 – кулачок блокировочный; 4 – тяга привода разъединителя; 5 – сектор с рукояткой привода разъединителя; 6 – толкатель кнопки «Стоп»; 7 – привод замка быстрооткрываемой крышки; 8 – отверстие для установки пломбы; 9 – рычаг блокировочный 230


Поскольку разъединители не имеют устройств для гашения дуги, их недопустимо отключать под нагрузкой. Поэтому в пускателях предусмотрена дополнительная блокировка, которая предусматривает предварительное отключение контактора и исключает поворот рукоятки разъединителя при включенном контакторе. В пускателях разных типов такая блокировка имеет своеобразную конструкцию. На рис. 7.26 приведена блокировка быстрооткрываемой крышки пускателя ПВИ-125. Блокировка работает следующим образом. Положение I соответствует закрытой крышке аппаратного отделения и включенному разъединителю пускателя. В этом случае блокировочный рычаг 9 находится в пазу привода замка 7 и упирается в боковую поверхность сектора 5. Для отпирания замка крышки контакторного отсека следует предварительно нажать толкатель 6 кнопки «Стоп» пускателя и удерживая этот толкатель в нажатом положении, повернуть рукоятку привода разъединителя в вертикальное положение «выключено». В этом положении (II) привод разъединителя будет фиксировать толкатель кнопки «Стоп» в нажатом состоянии, а паз сектора 5 совместится с блокировочным рычагом 9 и позволит переместить его, разблокировав замок 7 быстрооткрываемой крышки аппаратного отделения. После этого поворотом замка 7 можно открыть крышку.

231


Дистанционное управление пускателем предусматривает включение и отключение его контактора путём нажатия соответствующих кнопок внешнего кнопочного поста, либо по командам исполнительных реле устройств автоматики. Эту функцию управления контактором выполняет блок дистанционного управления БДУ (рис. 7.27). В его состав входит два аналогично работающих измерительных устройства, содержащие схемы сравнения токов, усилители и выходные реле (К1.1; К2.1). Контакты последних включены в логическую схему, осуществляющую управление промежуточным реле. Принцип действия БДУ основан на контроле состояния линии связи (ЛС) и элементов поста дистанционного управления (ПДУ). При подаче напряжения на схему положительная полуволна тока протекает по двум параллельным ветвям (R13, VD7 и R23, VD9) и ПДУ. Отрицательная полуволна тока течёт по цепям VT7-R9 (VT8-R22). На базах транзисторов VT7, VT8 происходит сравнение токов. При разомкнутой кнопке «Пуск» эти транзисторы заперты, реле К1.1; К2.1 обесточены. При замыкании кнопки «Пуск» происходит шунтирование цепей (R13, VD7 и R23, VD9), что приводит к преобладанию тока в цепях VT7-R9 (VT8-R22). Это приводит к отпиранию транзисторов VT7, VT8; VT1, VT2 и включению реле К1.1; К2.1. Включается реле К5, которое непосредственно формирует команду включения контактора КМ пускателя. Последний своим вспомогательным контактором включает реле К3, которое своими замыкающими контактами К3.2 и К3.3 шунтируют резисторы R21 и R26 соответствующих делителей. В результате увеличиваются токи в цепях VT7-R9 (VT8-R22) и реле К1.1; К2.1 остаются во включенном состоянии. При нажатии на кнопку «Стоп» ток в ЛС исчезает, что приводит к повышению тока в цепи (R13, VD7 и R23, VD9), запиранию транзисторов VT7, VT8; VT1, VT2 и отключению реле К1.1; К2.1. При замыкании в цепи управления диод VD ПДУ и входные цепи БДУ шунтируются, что приводит к резкому снижению токов в них и отключению электромагнитных реле блока. Схемой предусмотрена функция самоконтроля исправности БДУ. При повреждении схемы БДУ нарушается синхронность работы его узлов, что приводит к отключению реле К1.1 и К2.1 и, в итоге, - пускателя. Помимо перечисленных в табл. 7.1, схемы современных магнитных пускателей обеспечивают выполнение следующих технологических и защитных функций: 232


• включение другого пускателя и осуществление взаимной бло-

кировки вспомогательными контактами К14, К18; • отключение пускателя местной кнопкой «Стоп» S3; • изменение направления вращения электродвигателя осуществляемое в нереверсивных пускателях реверсирующим разъединителем, а в реверсивных – двумя контакторами, изменяющими порядок чередования фаз; • форсированное включение контактора; • защитное отключение или недопущение включения пускателя при увеличении сопротивления в цепи заземления подключаемого электропотребителя до 50 Ом, выполняемое элементами схемы дистанционного управления; • световую сигнализацию о срабатывании защит МТЗ, ТЗП и БКИ и наличии напряжения в аппаратном отделении; • проверку работоспособности защит; • возможность подключения температурной защиты. Силовая часть схемы включает, разъединитель Q, контактор (с воздушным или вакуумным дугогашением), трансформаторы тока Т1, Т2, а также шины для их соединения (рис. 7.28). Вторичные цепи получают питание от трансформатора Т3. В современных магнитных пускателях катушки электромагнитов получают питание от источников постоянного тока V1, V2, что обеспечивает устойчивую и более надёжную работу аппаратов по сравнению с питанием их переменным током. Однако в таких схемах ток в катушке не зависит от её индуктивности и поэтому не снижается при включенном электромагните, как это бывает при питании переменным током. Это требует значительного повышения диаметра провода, а, следовательно, и габаритов аппарата. Вместе с тем, имеется значительный запас по силе удержания электромагнита, что даёт возможность уменьшить величину тока во включенном положении, а, следовательно, уменьшить габариты и повысить быстродействие при отключении контактора. В связи с этим, применяют различные схемы форсированного включения, позволяющие снизить рабочий ток контактора (например, введением добавочного резистора, включаемого в цепь катушки после полного замыкания магнитной системы контактора). В приведенной схеме катушка контактора в момент включения получает питание от двух источников V1 и V2, что обеспечивает надёжное включение контактора. После полного включения контактора источник питания V1 отключается, и катушка контактора получает питание от источника 233


234

Рисунок 7.28 – Схема электрическая пускателя ПВИ-320 МВ

V2, обеспечивая надёжное удержание контактора во включенном состоянии. При нажатии кнопки «Пуск» поста дистанционного управления контакт блока БДУ А3 замкнёт цепь промежуточного реле К4.1. Если в отходящем присоединении нет повреждений все контакты защит (А1, А2) в цепи промежуточного реле К4.1 будут замкнуты и оно сработав своим контактом К4.2 подаст питание на катушку контактора, что приводит к его включению. Пускатель может быть отключен кнопкой «Стоп» поста дистанционного управления; кнопкой «Стоп» на пускателе или при срабатывании любой из защит. Для облегчения поиска неисправности в пускателе предусмотрено устройство для проверки действия схемы управления и цепи катушки контактора без подачи напряжения в отходящее присоединение. Для приведения этого устройства в рабочее состояние необходимо перемычку Х3 и положение «Работа» переставить в положение проверка. При этом диод V в пульте управления будет зашунтирован диодом в блоке управления. Поэтому после подачи напряжения на схему разъединителем блок БДУ сработает, замкнёт свой контакт А3 в цепи реле К4.1. При этом по катушке контактора К1.1 будет протекать ток небольшой величины ограниченный резистором схемы проверки, недостаточный для включения контактора. Если внутренние элементы схемы исправны светодиод НL4 будет светиться и поиск неисправности следует искать во внешней цепи (жилах кабеля, контактных соединениях, пункте управления). В противном случае поиск неисправности следует вести внутри пускателя. Для управления машинами и механизмами, требующими частого реверсирования по условиям технологии их работы применяют реверсивные магнитные пускатели ПВИ-80МР, ПВИР-63…125, ПВИР-


250. Силовая схема реверсивного пускателя (рис. 7.29а) предполагает наличие нереверсивного разъединителя и реверсивную схему из двух контакторов. В этом случае реверсирование управляемого двигателя производится дистанционно, включением одного из контакторов. С целью недопущения коротких замыканий в контакторном отсеке таких пускателей предусмотрена механическая блокировка, не допускающая одновременное включение обоих контакторов. В отличие от нереверсивных пускателей для дистанционного управления применяют блоки управления БУР, БДУ – 1Р и трёхкнопочные пульты управления. В схеме управления также предусмотрены блокировки, исключающие одновременное включение контакторов. Для этого при нажатии кнопки управления одним контактором, обязательно размыкается цепь управления другим и механически блокируется подвижная траверса спаренного (не включенного) контактора.

Рисунок 7.29 – Схема реверсивного пускателя: а) силовая; б) дистанционного управления

235


7.9 СТАНЦИИ УПРАВЛЕНИЯ Для управления комплексом технологических машин и механизмов необходимо создание распределительных пунктов (РП). Обычно РП комплектуются отдельными автоматическими выключателями, магнитными пускателями, аппаратами защиты и автоматизации. Опыт эксплуатации показал, что такие РП в своём составе имеют большое число аппаратов, занимающих много места, требующих значительных затрат на монтаж, демонтаж и затрат, связанных со стоимостью рудничных взрывозащищённых оболочек каждого силового коммутационного аппарата.. С целью устранения этих недостатков на поверхности шахт применяют комплектные распределительные устройства, панели, силовые шкафы и щиты, а в подземных выработках станции управления различного назначения. Структура силовой схемы станции управления согласуется с количеством и параметрами электродвигателей типовых технологических установок шахты (соответственно конкретному технологическому процессу). В настоящее время в эксплуатации находятся следующие станции управления: • СУВ-350А (рис. 7.26), СУВ-350АВ, КУУВ-350-1К, КУУВ350-2К – для управления машинами очистного комплекса; • КУУВТ-350 для электроснабжения тупиковых выработок и вентиляторов местного проветривания; • СУВК-8, КУУВП-5, КУУВП-10, для установки и управления двигателями проходческих комбайнов; • СУВ-1Л-100, СУВ-2Л-120 – для управления электродвигателями с фазным ротором привода ленточных конвейером и двигателям с короткозамкнутым ротором вспомогательных механизмов конвейера; • КУУВ – для управления вспомогательными электроприводами подземных подъёмных машин. Станции управления выполняют все функции автоматических выключателей и магнитных пускателей, а также дополнительные функции, определяемые особенностями работы технологических машин и необходимостью обеспечения требований по охране труда, безопасности работы и предотвращения ошибочных действий обслуживающего персонала Электрическая схема станции состоит из силовой части, вторичных цепей управления и защит. В состав силовой части (рис. 7.30) 236


входят проходные зажимы и соединители напряжения Х1…ХВ для подключения кабелей, общий разъединитель QS; автоматический выключатель QF и контакторы К1…К6 отходящих присоединений с блоками управления и защиты (аналогично схемам пускателей). QF

QS

X6 X5

X1 К6

К5

К4

К3

К2

К1

X4

X2 X3

Рисунок 7.30– Схема силовых цепей станции управления КУУВ-350-2К

Наибольшей полнотой функций, применительно к эксплуатации очистного участка шахты обладает станция управления серии СУВ (табл. 7.2). Таблица 7.2 – Параметры станций управления серии СУВ Тип станции

Тип контактора

КТ-12Р 35М или КРМ-250 СУВКТУ-2000 350А ПМА или ПМЛ КМ17Р37 КМ17Р35 КТУ-2000М СУВ-630 ПМЛ-4102 ПМА или ПМЛ

Номинальный ток контактора, А

Схема включения Кол-во контактора присоединений

63

реверсирующая нереверсирующая нереверсирующая

2 1 4

25

реверсирующая

1

320 250 125 40

нереверсирующая реверсирующая нереверсирующая реверсирующая

2 2 3 1

25

реверсирующая

1

250

237


Компоновка станции управления серии СУВ представлена на рис. 7.31. Её функциональные отсеки 1; 5; 6; 10; 12; 13 смонтированы на общей раме 8. В каждом контакторном отсеке (10; 12; 13) на направляющих установлена быстросъёмная рама, на которой размещены контакторы, блоки их управления и блоки защиты. Связь силовых цепей осуществляется посредством стыковых контактов, а вторичных цепей – штепсельными разъёмами. Отходящие к потребителям кабели присоединяют посредством соединителей напряжения (штепсельных разъёмов) 2. Рукоятки разъединителя 7, автоматического выключателя 4 совместно с кнопкой отключения автоматического выключателя и реечным механизмом 3 выполняют функцию электромеханической блокировки отпирания крышек контакторных отсеков. 4

3

5

6

7

2 1

8

9

10

11

12

13

Рисунок 7-31 Общий вид станций управления СУВ-350 А; СУВ-630 1- отсек аппаратуры управления; 2- кабельный ввод; 3- реечный механизм электромеханической блокировки отпирания быстрооткрываемых крышек контакторных отсеков (10; 12; 13); 4; 5, соответственно, - рукоятка и отсек автоматического выключателя; 6; 7, соответственно, - отсек и рукоятка силового разъединителя; 8 – рама; 9 - рукоятка переключателя рода работ; 11 - рукоятка запирания крышки

238


7.10 УСТРОЙСТВА ПЛАВНОГО ПУСКА АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Пуск асинхронного двигателя путём непосредственного подключения к его статору напряжения сети сопровождается значительными по амплитуде колебательными моментами вследствие появления свободной составляющей магнитного потока двигателя. Одним из способов подавления свободной составляющей потока является пуск двигателя при плавном увеличении питающего напряжения от фиксированной пониженной величины до номинальной. Эту функцию выполняют силовые устройства плавного пуска (устройства «soft-start», рис. 7.32).

Рисунок 7.32 – Структурная схема комплектного устройства плавного пуска КУВПП-250М

239


Основу силовой схемы устройства составляет тиристорный коммутатор, представленные тремя парами встречно-параллельно соединённых тиристоров. Он позволяет плавно изменять величину напряжения промышленной (постоянной) частоты за счет изменения углов отпирания тиристоров. Управление интенсивностью изменения выходного напряжения тиристорного коммутатора обеспечивается микропроцессорным блоком управления. Программа изменения выходного напряжения тиристорного коммутатора задаётся пользователем в зависимости от особенностей эксплуатации электропривода технологической установки управляемой от устройства плавного пуска (рис. 7.33). Величина задания стартового напряжения может изменяться в пределах от 0 до 60 % от номинального. Продолжительность увеличения напряжения до номинального задаётся пользователем в диапазоне от 5 до 30 с. При необходимости пуска установки со значительным моментом сопротивления предусмотрен режим «kick-start». В этом случае на начальном этапе пуска происходит кратковременный, продолжительностью 0,8 с, «наброс» напряжения на выходе тиристорного коммутатора.

Рисунок 7.33– Диаграммы изменения выходного напряжения тиристорного коммутатора устройства КУВПП-250М в процессе разгона и замедления асинхронного двигателя потребителя

В устройстве предусмотрена функция ограничения пускового тока электродвигателя в процессе его плавного разгона в пределах от 240


1 до 4-х кратного номинального. С этой целью в микропроцессорном устройстве управления текущее значение тока силовой цепи сравнивается с заданным. В случае текущим значением тока заданной величины вводится коррекция углов отпирания тиристоров, чем достигается ограничение тока Алгоритм работы устройства предусматривает первоначально подачу напряжения на тиристорный коммутатор включением пускового контактора. По окончании процесса увеличения выходного напряжения тиристорного коммутатора микропроцессор включает обходной контактор, запирает тиристоры и отключает пусковой контактор. Процесс отключения (по команде «СТОП») происходит в следующем порядке: включается пусковой контактор, полностью открываются тиристоры коммутатора, отключается обходной контактор, запираются тиристоры коммутатора, отключается пусковой контактор. Такой алгоритм управления позволяет осуществлять бездуговую коммутацию нагрузки. В случае, если необходимо увеличить продолжительность замедления двигателя по сравнению с продолжительностью его свободного выбега при отключении в устройстве предусмотрена функция мягкой остановки. В этом случае по команде «СТОП» микропроцессор вначале полностью отпирает тиристоры коммутатора, а затем постепенно увеличивает угол отпирания тиристоров, плавно снижая напряжение на выходе коммутатора. Диапазон продолжительностей снижения напряжения выбирается пользователем в пределах 0 – 8 с. 7.11 УСТРОЙСТВА УПРАВЛЕНИЯ ДВУХСКОРОСТНЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ В связи с применением асинхронных двухскоростных двигателей в составе электроприводов некоторых типов шахтных скребковых конвейеров возникла необходимость создания специальных силовых коммутационных аппаратов для управления программой разгона электропривода конвейера, реализации режима работы привода конвейера на пониженной скорости, в частности, при доставке оборудования в очистной забой. Указанным требованиям отвечают комплектные взрывозащищённые устройства (КУВ-ДСД; КСД-27 и др.) управления двухскоростными двигателями. Устройство КУВ-ДСД (рис. 7.34) предназначено для управления и защиты двух приводных блоков конвейера, оснащённого двухско241


ростными двигателями мощностью до 250 кВт при напряжении 660 В и мощностью до 400 кВт при напряжении 1140 В.

Рисунок 7.34 – общий вид устройства КУВ-ДСД

Оно состоит из двух цилиндрических оболочек (2; 3), отсека автоматического выключателя 1; отсека силового разъединителя 4 и коробок кабельных вводов (5-8). В цилиндрических оболочках размещены по три контактора для управления электроприводами «головного» (оболочка 2) и «хвостового» (оболочка 3) электроприводов конвейера. Один из контакторов в каждой оболочке предназначен для включения статорной обмотки номинальной скорости двигателя. Два других соединены по реверсирующей схеме и предназначены для включения обмотки пониженной скорости двигателя с возможностью реверса. Этим достигается реализация функции пуска приводов с кратковременной ступенью пониженной скорости, а так же функция 242


работы конвейера при движении цепи в обратную сторону на пониженной скорости (доставочные операции). С целью недопущения рывков скребковой цепи при переводе приводов конвейера с пониженной на номинальную скорость в устройствах управления двухскоростными двигателями реализуется алгоритм, предусматривающий неодновременное переключение статоров «головного» и «хвостового» электроприводов конвейера. 7.12 КОМПЛЕКТНЫЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА УЧАСТКОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРНЫХ ПОДСТАНЦИЙ Одним из перспективных направлений совершенствования конструкции и расширения функциональных возможностей распределительного пункта технологического участка шахты является интеграция станции управления технологическим оборудованием участка с комплектной трансформаторной подстанцией в одном устройстве (рис. 7 35).

Рисунок 7. 35 – Трансформаторная подстанция со встроенной комплектной станцией управления серии ТЕК производства фирмы «Becker Mining Systems GmbH» (Германия)

Преимущества такого технического решения состоит в минимизации: 243


- расхода металла и затрат на изготовление рудничных взрывобезопасных оболочек электрооборудования участка; - площади для размещения низковольтного распредпункта участка: - трудозатрат и затрат рабочего времени на перемещение распредпункта участка вслед за продвижением очистного забоя. В конструкции станции управления применена модульная технология. Все применяемые коммутационные аппараты выполнены как функциональные сменные модули: модули контакторов; модули сдвоенных контакторов; модули реверсивных контакторов; модули контроля сопротивления изоляции и освещения и т.п. (рис. 7.36). В своём составе каждый контакторный модуль содержит не только соответствующий силовой коммутационный аппарат, но и полный комплект аппаратуры управления и защиты. Кроме этого, каждый сменный модуль оснащён разъединительным и заземляющим устройствами. Конструкция силовых выводов (шпилек) и корпусов сменных модулей максимально облегчает их ввод в работу (подключение к энергетической шине) и вывод из работы (извлечение из энергетической шины). Для этого модуль достаточно вставить в соответствующую ячейку шасси станции управления либо извлечь из нее.

Рисунок 7.36 – Вставной модуль силового контактора (виды сзади и спереди) - производство фирмы «Becker Mining Systems GmbH» (Германия)

Эксплуатационные параметры для каждого сменного модуля устанавливаются на индикаторном модуле в искробезопасной клеммной коробке и сохраняются там в постоянной памяти. 244


Помимо станций управления в состав рассматриваемых устройств могут входить устройства мониторинга и управления, которые, по сути, представляют собой промышленный персональный компьютер в рудничном взрывобезопасном исполнении (рис. 7.37).

Рисунок 7.37 – Размещение компьютерно-интегрированного устройства мониторинга и управления IPC1 P02 в составе участкового распределительного пункта на базе трансформаторной подстанции типа TN6/1500P3.1 производства фирмы «Ostroj – Hansen & Reinders» (Чехия)

Устройство мониторинга и управления является центром контроля параметров электрооборудования и средств автоматизации технологических установок участка. Применяемая, обычно, операционная система Windows NT обеспечивает возможность использования высокопроизводительного, широко распространённого программного обеспечения. Благодаря интерфейсу Ethernet компьютер можно через оптоволоконный кабель подключать к локальной сети участка, содержащей многочисленные периферийные устройства и, тем самым, реализовать возможность автоматического управления технологическими установками, передачи информационных потоков горному диспетчеру.

245


Вопросы для самоконтроля

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23.

Для чего предназначены, и какие функции выполняют коммутационные аппараты? По каким признакам и как классифицируют коммутационные аппараты? Какими параметрами характеризуют аппараты? Из каких основных элементов состоят коммутационные аппараты? Какие коммутационные системы применяют в аппаратах? Как осуществляется гашение дуги в масляных, воздушных, вакуумных выключателях? Для чего предназначен механизм свободного расцепления? Какие требования предъявляют к коммутационным аппаратам? Какие высоковольтные выключатели, разъединители, КРУ применяют в системах электроснабжения? Какие элементы содержит разъединитель, выключатель, КРУ и как они устроены? Почему нельзя отключать разъединитель под нагрузкой? Какие элементы включает электрическая схема КРУ? Как они функционируют? Какие функции выполняют АВ, МП, СУ? Какие типы АВ, МП, СУ применяют в шахтах? Какие зашиты, применяют в АВ, МП, СУ? Какие блокировки предусмотрены в АВ, МП? Как взаимодействуют отдельные элементы, и как работает в целом схема АВ, МП? Почему в реверсивном магнитном пускателе устанавливают реверсирующий разъединитель? Для чего предназначены станции управления? Какие функции выполняют СУ? Каковы назначение и принцип действия устройств плавного пуска «soft-start»? Каковы отличительные особенности устройств управления двухскоростными электроприводами скребковых конвейеров? Каковы особенности устройства и функционирования комплектных распределительных устройств, совмещённых с участковыми трансформаторными подстанциями? 246


ГЛАВА 8 ШАХТНЫЕ КАБЕЛИ Учебными целями раздела являются обретение студентами знаний относительно условий применения силовых кабелей в шахте, особенностей конструкции шахтных бронированных и гибких экранированных кабелей, а также их эксплуатации в условиях горных предприятий. 8.1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Кабели предназначены для передачи электроэнергии, либо информационных потоков от источника к потребителю. Кабели, применяемые на шахтах, классифицируют: • по назначению – силовые, контрольные, телефонные; • по конструкции – бронированные, гибкие, особо гибкие. Область применения кабелей зависит от условий внешней среды (взрыво- и пожароопасные помещения), вероятности повреждения, места и разности уровней прокладки и определяются соответствующими нормативами (ПУЭ; «Едиными техническими указаниями по выбору и применению электрических кабелей, отраслевыми ПБ). Для передачи и распределения электроэнергии в шахте применяют специальные шахтные кабели только с медными жилами [6]: • при прокладке по стволам, выработкам с углом наклона более 45° и капитальным выработкам – бронированные экранированные с проволочной броней; • при прокладке в горизонтальных и наклонных выработках (до 45°) – бронированные экранированные с ленточной броней; • для присоединения КТП – бронированные экранированные повышенной гибкости; • для присоединения распредпункта низшего напряжения – бронированные экранированные повышенной гибкости или гибкие экранированные; • для присоединения передвижных машин – гибкие экранированные; • для присоединения выемочных машин на крутых пластах с применением кабелеподборщиков – гибкие экранированные повышенной прочности; 247


• для участков линии между электросверлом и соединителем напряжения (не менее 20 м) особо гибкие экранированные. Параметры кабеля. Для характеристики кабелей применяют ряд показателей, основные из которых приведены ниже. Напряжение кабеля U. В шахтах применяют кабели на напряжение 250 В для ручного инструмента и осветительных сетей, 1140 В для распределения и передачи энергии к машинам и механизмам и 6000 В для высоковольтных электроустановок. Длительный ток нагрузки Iдл – ток который может протекать по жилам кабеля не вызывая их нагрев выше установленной температуры. Число жил. В кабеле для шахт, как правило, применяют: три силовые жилы, для передачи электрической энергии; вспомогательные жилы для соединения блоков дистанционного управления пускателей с кнопочными постами, устройствами автоматического управления горными машинами; одну заземляющую жилу. Сечение жилы S. В шахтных кабелях принимают стандартные сечения: силовых жил гибких – от 4 мм2 до 120 мм2; бронированных – от 16 до 185 мм2; заземляющих – 1.5…10 мм2; вспомогательных – 1.5…4 мм2. Наружный диаметр определяет возможность присоединения кабеля к кабельному вводу электрооборудования. Активное R и индуктивное X сопротивление жилы кабеля. Обычно в справочных данных значение активного сопротивления приводят для определённой температуры. Если кабель работает при температуре отличной от приведенной, то сопротивление при фактической температуре может быть определено по формуле, Ом:

Rt = R0[1 + α (t − t0 )] ,

где R0 – сопротивление жилы при температуре t0; α - температурный коэффициент сопротивления меди, равный 0.004 1/°С. Электрическая ёмкость имеет важное значение для определения тока утечки на землю через изоляцию кабеля в электрических сетях с изолированной нейтралью. Условия работы кабелей. Применение кабелей в подземных выработках представляет сложную проблему, так как существует высокая вероятность образования опасной концентрации метана в выработках, где проложены кабели, и непосредственного соприкосновения кабелей с горючими материалами, а также высокая вероятность 248


механического повреждения кабеля. Если, рудничное взрывобезопасное электрооборудование в подземных выработках устанавливают в хорошо закреплённых местах, вне опасности повреждения транспортом, то кабели прокладывают на всем протяжении выработок, в том числе в забоях, в местах перекрепления выработок, в плохо закреплённых местах и т.д. По условиям монтажа, прокладки и эксплуатации кабель часто изгибается, что требует достаточной гибкости. Это исключает возможность заключения кабеля (проводников) во взрывонепроницаемую оболочку. Вследствие этого кабель недостаточно прочен, что приводит к его частым механическим повреждениям. Это вызывает не только частые и продолжительные перерывы в электроснабжении, но и поражения человека электрическим током, взрывы и пожары. Наиболее часто повреждения кабелей происходят по следующим причинам [29, 30]: волочение кабеля по почве (обусловленное перемещением машин); обрушение угля и породы на кабель (в основном, в очистных и подготовительных забоях и в местах перекрепления выработок); повреждения кабеля горными машинами, другим электромеханическим оборудованием (вследствие стеснённого пространства в выработках, вследствие чего кабель оказывается расположенным в непосредственной близости к машинам); порезы рабочим инструментом (вследствие невнимательности рабочих, выполняющих работы вблизи кабеля); повреждения кабеля при взрывных работах (в результате воздействия разлетающимися кусками породы и угля); недопустимое изгибание кабеля (при его намотке на переносные барабаны, а также при вводе кабеля в машину или аппарат); не достаточно плотное присоединение жил кабеля к зажимам электрооборудования (нагрев в месте присоединения может привести к воспламенению изоляции кабеля, а замыкание проволочек жил разных фаз – к короткому замыканию). Кроме этого, имеют место снижение сопротивления изоляции при механическом повреждении оболочек и изоляции кабеля, при некачественном выполнении концевых разделок; чрезмерный нагрев кабеля (обусловлен нарушением режима эксплуатации кабеля; может привести к его воспламенению). Особенности конструкции кабелей. При конструировании кабеля должны быть обеспечены [4, 29, 30]: достаточная электропроводность, механическая прочность, гибкость; высокая сопротивляе249


мость истиранию; надёжная защита от сырости и воздействия окружающей среды; высокое сопротивление изоляции жил. Основным элементом кабелей являются: силовые, контрольные и заземляющая жилы; изоляция, оболочки, защитные покровы. Кроме этого шахтные кабели имеют проводящие экраны. Жилы кабеля изготавливают из меди или алюминия. Они могут быть однопроволочными или многопроволочными, состоящими из нескольких скрученных проволок или стренг. Многопроволочные жилы имеют более высокую механическую прочность и гибкость. По форме жилы изготовляют круглыми, сегментными или секторными. Токоведущие жилы из алюминия обозначаются буквой А, стоящей в обозначении марки на первом месте. Медные жилы буквенного обозначения не имеют. В подземных выработках можно применять кабели только с медными жилами. Изоляция кабеля должна обладать высоким диэлектрическими свойствами и механической прочностью, быть не гигроскопичной и теплостойкой. Материал изоляции обозначают буквами, стоящими в начале обозначения: Р – резиновая изоляция, В – изоляция из поливинилхлоридного пластиката, Пв, Пс – полиэтиленовая изоляция соответственно из вулканизированного и самозатухающего полиэтилена. Изоляция из кабельной бумаги буквенного обозначения не имеет. Кабельная оболочка (оболочка) – металлическая или неметаллическая трубка, расположенная поверх жил и предназначенная для их защиты от влаги и других внешних воздействий. Для обозначения материала оболочки используются стоящие в середине буквы: С – свинцовая оболочка, А – алюминиевая, В – поливинилхлоридная, П – полиэтиленовая. Кабельная броня (броня) – часть защитного покрова из металлических оцинкованных лент или проволок, предназначенная для защиты от внешних механических воздействий и, в некоторых случаях, для восприятия растягивающих усилий. Тип брони: Б – броня из стальных лент, П – плоские стальные проволоки, К – круглые стальные проволоки. Наружный покров – часть защитного кабельного покрова, наложенная поверх брони для защиты от коррозии и механических воздействий. Наружные покровы применяют из просмолённой пряжи, из поливинилхлоридного (ШВ), и из полиэтиленового (ШП) шланга. Если наружный покров отсутствует, то в конце обозначения марки кабеля ставят букву Г. 250


Экран предназначен для надёжного замыкания силовой жилы на заземляющую через повреждающий предмет, с целью обеспечения автоматического выявления этого повреждения средствами аппаратов защиты от утечек тока на землю и формирования команды на автоматическое отключение повреждённого участка сети. Экран по всей длине кабеля соединён с заземляющей жилой. У кабелей до 1140 В экран состоит из одного слоя полупроводящей резины или медных лент. У кабелей напряжением 6 кВ экран состоит из двух слоёв – полупроводящей резины и медной фольги, что позволяет обеспечить равномерное распределение электрического поля, снизить его напряжённость в месте перехода изоляции к экрану и лучше использовать изоляцию кабеля. Для обозначения экрана в обозначении марки кабеля используют букву Э. 8.2. БРОНИРОВАННЫЕ КАБЕЛИ На шахтах широко применяют бронированные кабели с бумажной изоляцией. В электроустановках поверхности используют кабели с алюминиевыми жилами (АСБ, ААБл и др.), а в подземных – с медными (СБ, СБШв, СБГ, СП, СК и др.). Кроме этого, специально разработаны и выпускаются кабели марки ЭВТ, наиболее адаптированные к условиям эксплуатации в шахте. В последнее время для применения в шахтах кабельные заводы изготавливают кабели с изоляцией из поливинилхлоридного пластиката (ВЭВБбШв, ВЭВПШв, ЭВБВ) или вулканизированного полиэтилена (ЭпвБВ, ЭпвБВнг). Бронированный кабель с бумажной изоляцией (рис. 8.1) имеет три силовые медные или алюминиевые одно- или многопроволочные жилы 1 покрытые бумажной изоляцией 3. Для длительного сохранения высоких изоляционных свойств ее пропитывают маслоканифольным составом. Жилы кабеля скручивают между собой и покрывают поясной изоляцией для повышения электрической прочности и сопротивления изоляции относительно земли. Для придания кабелю круглой формы пустоты между жилами заполняют наполнителем 9. Поверх поясной изоляции накладывают свинцовую защитную или алюминиевую оболочку 4, а на неё прослойку из электротехнической пряжи 6, для защиты брони от механических повреждений. Броня 7 может быть выполнена из стальных оцинкованных лент или проволок. Последние обеспечивают восприятие растягивающих усилий. Кабели с прово251


лочной броней применяют в стволах и наклонных выработках, где требуется разгрузить жилы от растягивающих усилий. Для защиты брони кабеля от коррозии на неё наносят защитный покров 8 из полиэтиленового пластиката или битумного состава и пропитанной пряжи (джутовый покров). При вертикальной или наклонной прокладке кабеля жидкий маслоканифольный Рисунок 8.1 – Бронированный кабель состав может стекать вниз. Это с бумажной изоляцией: 1 – медная ухудшает изоляцию верхней жила; 2 – экран из полупроводящей части и создаёт, при герметичбумаги; 3 – изоляция; 4 – свинцовая ной заделке кабеля, большое оболочка; 5 – тканевая лента; 6 – кавнутренне давление в нижней бельная пряжа; 7 – броня из плоских стальных проволок; 8 – наружный по- его части, что может привести кров из кабельной пряжи; 9 – заполк образованию трещин в обонение из кабельной пряжи лочке кабеля. При негерметичной заделке пропиточный состав стекает в коробку кабельного ввода. В стволах и наклонных выработках, с разностью уровней верхнего и нижнего концов более 25 м выполняют прокладку кабеля с бумажной изоляцией, пропитанной нестекающим составом на основе церезина (кабели марок ЦСКН, ЦСПл, ЦСПШв и др.). Бронированные кабели с бумажной изоляцией имеют чрезмерную жёсткость, не высокую механическую прочность. Они не допускают изгибов малого радиуса. В них отсутствуют заземРисунок 8. 2 – Кабель ЭВТ 252


ляющая и контрольные жилы, а также экран, что является существенным недостатком при их эксплуатации в шахте. Кабель марки ЭВТ – экранированный с изоляцией из поливинилхлоридного пластиката, для тяжёлых условий работы (рис. 8.2). Он имеет три силовые (1), одну заземляющую (2) и четыре контрольные (3) жилы. Все жилы кабеля, кроме заземляющей, покрыты негорючей поливинилхлоридной изоляцией (7). По всей длине кабель покрыт общим экраном из двух медных лент. Защитный покров кабеля (8) состоит из шести лент поливинилхлоридного пластиката, брони из многопроволочных троссиков (9) и поливинилхлоридного шланга (10). Этот кабель обеспечивает высокую механическую прочность и достаточную гибкость. Бронированные кабели с пластмассовой изоляцией. В настоящее время кабельные заводы Украины изготовляют кабели для прокладки в стволах и наклонных выработках (ВЭВПШв), в наклонных и горизонтальных выработках (ВЭВБбШв; ЭВБВ; ЭВБВнг; ЭпвБВ; ЭпвБВнг), а так же кабели с контрольными жилами (ЭВБВк). Эти кабели имеют по три силовые жилы – однопроволочные (при сечении до 50 мм2) и многопроволочные (при большем сечении) и заземляющую жилу сечением от 6 до 50 мм2. На изоляцию жил наложен экран: для кабелей 6кВ из полупроводящей бумаги и медной фольги, а для кабелей до 1,2 кВ только из медной фольги. Заземляющую жилу изоляцией не покрывают. На скрутку жил наложена внутренняя оболочка (поясная изоляция). В качестве брони для стволовых кабелей применяют плоскую оцинкованную проволоку, а для остальных – оцинкованные стальные ленты. На броню накладывают защитный шланг из поливинилхлоридного пластиката оранжевого или красного цвета при напряжении 6 кВ или чёрного – при напряжении 1,2 кВ. 8.3 ГИБКИЕ И ОСОБО ГИБКИЕ КАБЕЛИ Передачу электрической энергии к передвижным машинам осуществляют гибкими кабелями. Из всех видов рудничного электрооборудования они являются наиболее подверженными повреждениям. Срок службы гибких кабелей составляет около 3 месяцев, а кабелей уложенных в желоба и траковые кабелеукладчики не более 6 месяцев. При конструировании гибких кабелей предусматривают высокую электрическую прочность (не менее 20…30 кВ/мм) изоляции ра253


бочих жил, высокую механическую и разрывную прочность (15…20 МПа) и сопротивляемость абразивным воздействиям их оболочки. Изоляция и оболочка кабеля не должны поддерживать горение. Повышение гибкости 3 кабелей достигают: умень5 шением диаметра проволоки из которой скручивают то1 копроводящие жилы, 4 уменьшением шага скрутки проволок в жиле и жил в ка6 беле, уменьшением сопро2 тивления подвижности жил в кабеле, применением эластичных материалов для защитного покрова. Рисунок 8.3 – Экранированный В настоящее время изгибкий кабель марки КГЭШ готовляют гибкие экранированные кабели (на напряжение 1140 В) следующих марок: КГЭШ (с максимальной рабочей температурой токоведущих жил до 75 °С и повышенной теплостойкости); КГЭШТ (с рабочей температурой токоведущих жил до 90 °С). Кабель КГЭШ (рис. 8.3) имеет три силовые (1); три вспомогательные (2) и одну неизолированную заземляющую (3) жилы. Изоляция жилы (4) и защитная оболочка (5) выполнены из резины. Поверх изоляции каждой силовой жилы наложен экран (6) из электропроводящей резины. Вспомогательные жилы скручены между собой и покрыты синтетической плёнкой. Силовые и вспомогательные жилы скручены вокруг заземляющей жилы, таким образом чтобы исключить возможность наведения ЭДС взаимоиндукции, вызываемой несимметрией магнитных полей, создаваемых токами силовых жил. Такие кабели изготовляют также с шестью вспомогательными жилами (КГЭШп). Для электропитания двигателей комбайнов и забойных конвейеров применяют кабели повышенной прочности КГЭШУ. Они отличаются от кабеля КГЭШ тем, что поверх защитной оболочки накладывают металлический корд и вторую защитную оболочку. Разработаны также гибкие бронированные кабели марки КГЭШБУШв. Защита кабеля от механических повреждений в них 254


осуществляется броней из стальной плоской проволоки с малым шагом скрутки, обеспечивающим достаточную гибкость. Особогибкие кабели КОГЭШ и КОГВЭШ (рис. 8.4) применяют для питания ручных электросвёрл и другого ручного инструмента. Отличительной особенностью эксплуатации таких кабелей являются сильная вибрация в местах ввода кабеля в инструмент, значительное число изгибов с малым радиусом закругления. Повышение гибкости кабелей достигают применением малого диаметра проволок, специальной скрутки Рисунок 8.4 – Особогибкие ка- с укороченным шагом и графитополибели мерного экрана для повышения подвижности жил кабеля друг относительно друга. Такие кабели имеют три силовые жилы 1, одну заземляющую 2 и одну вспомогательную, скрученные вокруг сердечника 3. Все жилы имеют одно сечение от 1.5 до 6 мм2. Поверх жил наложена шланговая оболочка. Контрольные кабели. Контрольные кабели применяют для передачи сигналов управления, измерения, сигнализации и др. Отличительной особенностью эксплуатации таких кабелей является небольшая мощность и большое число передаваемых сигналов. Поэтому такие кабели имеют большое число жил малого сечения от 0,75 до 6 мм2. В этих кабелях, как правило, применяют однопроволочные жилы. Контрольные кабели могут быть с медными или алюминиевыми жилами; с резиновой или пластмассовой изоляцией; в свинцовой, резиновой или поливинилхлоридной оболочке; с броней из стальных лент или проволок или без брони; с защитными покровами или без них. Для обозначения марки контрольного кабеля применяют букву К (контрольный) и другие буквы, значение которых приведено в параграфе 8.1. Для управления машинами и механизмами очистных и подготовительных забоев должны применяться специальные контрольные кабели КГШ с медными многопроволочными жилами. При числе жил более шести их скручивают в стренги 1 по 3 жилы в каждой, а затем между собой. Для повышения прочности на разрыв между жилами 255


укладывают лавсановые пряди 2. Жилы помещают в поливинилхлоридный шланг 3. 8.4 ПРИСОЕДИНЕНИЕ И СОЕДИНЕНИЕ КАБЕЛЕЙ Надёжность работы КЛ в значительной степени зависит от конструкции устройств и способов соединения кабелей, качества выполняемых работ. Конструкция устройств для присоединения и соединения кабелей должна обеспечивать: надёжное контактное соединение жил кабеля; высокую прочность изоляции в месте соединения; достаточную герметичность и прочность самих устройств, а для взрывобезопасного оборудования, - необходимую степень взрывозащиты. Контактные соединения моа) гут быть разборными и неразборными. Неразборные соединения обеспечивают стабильность переходного сопротивления, не требуют надзора и обслуживания при эксплуатации. Для таких контактных соединений применяют опрессовку, пайку и сварку. Эксплуатация разб) борных соединений предусматривает их периодический контроль и подтягивание. Поэтому разборные соединения применяют только в случаях, когда по условиям эксплуатации необходимо кабели отсоединять. Исполнение выводов и устройств, для соединения жил Рисунок 8.5 – Кабельные вводы должно обеспечивать удобство рудничного электрооборудовамонтажа, не допускать передачу ния: а) – для кабеля с бумажной изоляцией; б) – для гибкого кабе- давления на проводник через изоляцию, выдерживать воздействие ля; 1 – оболочка; 2 – фланец; 3 – окружающей среды. Площадь усткорпус муфты; 4 – прижимная пленка; 5 – изолятор; 6 – уплотройств соединения должна быть нительное кольцо; 7 – заглушка; 8 достаточной, чтобы при макси- раструб мальной нагрузке температура не превышала допустимых значений, а их конструкция исключала разру256


шение проводника и расчленение проволок. Электрическую прочность изоляции обеспечивают правильной разделкой и подготовкой соединяемых концов кабелей, применением высококачественной изоляции для изолирования оголённых жил, а в ряде случаев и жёстким фиксированием расстояния между жилами. Требуемую герметизацию жил кабеля обеспечивают заливкой заделок во вводном устройстве кабельной массой или эпоксидным компаундом, либо применением сухих заделок. В последнем случае могут применяться трёхслойные пластмассовые трубки, трубки из наиритовой резины, заделки поливинилхлоридной лентой и др. Область применения заделок рудничного электрооборудования и технология их выполнения приведены в ПТЭУ. Применение специальных заделок кабелей во взрывозащищённом электрооборудовании обусловлено требованиями обеспечения взрывобезопасности. При выполнении концевых заделок применяют специальные кабельные вводы (рис. 8.5), обеспечивающие взрывонепроницаемость, в связи с использованием эластичных уплотнительных колец 6 или заливки ввода корпусов муфт 3 битумной массой, либо эпоксидным компаундом.

Рисунок 8.6 – Эпоксидная соединительная муфта ПСЭс 1- подмотка из ткани; 2 - бандаж; 3 – шланг; 4 – провод заземления; 5 – ленты металлического экрана; 6 – полупроводящий экран; 7 – кольцевая подмотка; 8 – фиксирующая звездочка; 9 - соединительная гильза

Взрывозащита с уплотнительным кольцом эффективна только в том случае, если диаметры расточки в корпусе вводной коробки, кольца и кабеля соответствуют требованиям ПБ. Применение прижимных планок 4 защищает кабель от выдергивания. 257


Присоединение бронированных кабелей к электрооборудованию электроустановок поверхности, не имеющему специальных вводов, осуществляется с использованием концевых заделок: эпоксидных с термоусаживаемыми полихлорвиниловыми трубками (КВЭТ), с наиритовыми трубками (КВЭН), с кремнийорганическими трубками (КВЭК) и др. Соединение бронированных кабелей в сетях напряжением 6000 В выполняют посредством эпоксидных (СЭ; ПСЭс) (рис. 8.6) и свинцовых (СС) муфт. Кабели напряжением 1140 В, кроме этого можно так же соединять и чугунными муфтами (СЧ; СЧм). Область применения муфт и концевых заделок определяется уровнем напряжения, условиями применения, маркой кабеля и др. Для монтажа эпоксидной соединительной муфты применяют специальные съёмные формы. Соединение гибких кабелей выполняют: способом горячей вулканизации; посредством соединителей электрических взрывобезопасных (СНВ); шинных (КШВ) или разветвительных (КР) коробок; тройниковых соединителей (муфт) - рис. 8.7. Кабель, соединённый способом горячей вулканизации подвергают следующим испытаниям: • механическим – путём изгибания в обе стороны на 1800 вокруг цилиндра с диаметром, равным 10 – кратному наружному диаметру кабеля. После пяти изгибаний кабель не должен иметь трещин и отслаиваний оболочки; • электрической нагрузкой основных жил номинальным током до достижения установившейся температуры. Разность температур на целом месте и на участке ремонта не должна превышать 5 °С; • проверкой сопротивления изоляции. Сопротивление изоляции каждой жилы в холодном состоянии должно быть не менее 100 МОм на 1 км длинны. Соединители низкочастотные взрывозащищённые модернизированные СНВ – М (рис. 8.7) изготавливают на токи до 320 А и применяют для соединения кабелей (линейный соединитель – Л), а так же для присоединения кабеля к двигателям и аппаратам. Такие соединители могут быть со встроенной вилкой (ВВ) или розеткой (РВ), с дополнительным вводом (Д). Соединитель состоит из вилки 8 и розетки 9, установленных в стальном корпусе 3. Они имеют три силовых контакта, пять – для цепей управления и один заземляющий, а так же контактные зажимы 6 для присоединения жил кабеля 5. Внутри корпуса соединителя име258


ются направляющие, которые обеспечивают правильное соединение контактных пальцев и штепсельных гнёзд. Соединение (разъединение) вилки и розетки производят при помощи специальной гайки 4, установленной на корпусе соединителя. Существует вероятность разъединения соединителя под нагрузкой (что недопустимо). Поэтому такие соединители можно применять только в цепях с дистанционным управлением, когда при разъединении соединителя обеспечивается опережающее отключение силовой цепи. Этим обеспечивается бездуговое размыкание силовых контактов.. 1

2

3

4

5 6 7

8

9

а

б Рисунок 8.7 – Соединитель СНВ: а – конструкция; б – общий вид 1 – раструб; 2 – уплотнительное кольцо; 3 – корпус муфты; 4 – гайка; 5 – жила кабеля; 6 – контактный зажим; 7 – изоляционный корпус; 8 – вилка; 9 – розетка. Шинные и разветвительные коробки позволяют не только соединять кабели, но и производить их разветвление. Для соединения и разветвления кабелей осветительных и силовых цепей напряжением до 250 В применяют тройниковые муфты ТМ – 6 и ТМ – 10. После соединения и присоединения кабелей проводят испытания кабельной линии: проверяют целостность и фазировку жил; измеряют сопротивление изоляции и заземления. 259


Вопросы для самоконтроля

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18.

Какие условия работы кабелей на поверхности шахт? В подземных выработках? Какие основные причины повреждения кабелей в шахте? Что нужно предпринять для исключения повреждения кабелей в шахте? Какие кабели применяют на шахтах по назначению? Какие кабели бывают по конструкции? Какие показатели применяют для характеристики кабелей? Из каких элементов состоит кабель? Как они расположены? В чем состоит их назначение? Какие кабели прокладывают по стволу, по наклонным выработкам, по горизонтальным выработкам? Как устроены кабели, применяющиеся в шахтных электросетях? Какие кабели применяют для подвода электроэнергии и передвижным машинам? Для каких электроприёмников применяют особо гибкие кабели? Каким требованиям должны соответствовать кабельные вводы? Какими способами обеспечивают надёжное контактное соединение жил кабелей? Какие муфты применяют для соединения бронированных кабелей? Как они устроены? Какие способы применяют для соединения гибких кабелей? Как соединяют кабели способом горячей вулканизации? Какие испытания проводят при таком соединении? Как устроены быстроразъёмные соединители гибких кабелей типа СНВ? Почему соединители СНВ можно применять только для соединения кабелей с цепями дистанционного управления?

260


ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1 Значения удельных сопротивлений разних грунтов к воде Удельное сопротивление, Ом*м Характеристика грунта, воды Диапазон Влажность 10-12% к параметров весу грунта Песок 400-700 700 Супесок 150-400 300 Суглинок 40 – 150 100 Глина 8 – 70 40 Чорнозём 9-530 200 Морская вода 0,2-1,0 Приложение 2 Значения климатических коэффициентов (Ккл. ) для определения удельного сопротивления грунта Тип грунта Глубина ψ1 ψ2 обмерзания, м Суглинок 0,8-3,8 2,0 1,5 Чернозем до глубины 0,6 м 0-3 1,32 Гравий з примесью глины 0-2 1,8 1,2 Известняк 0-2 2,5 1,51 Гравий з примесью песка 0-2 1.5 1,3 Торф 0-2 1,4 1,1 Песок 0-2 2,4 1,56 Глина 0-2 2,4 1,36

261

ψ3 1,4 1,2 1,1 1,2 1,2 1,0 1,2 1,2


Приложение 3 Коэффициенты использования заземлителей из стальных труб или уголков без учёта связующей полосы При размещении вдоль Отношение расПри размещении в ряд контура стояния между трубами (уголкаКоличество Количество ми) к их длине труб (уголков) труб (уголков) ηст ηст 2 0,84-0,87 4 0,66-0,72 3 0,76-0,80 6 0,58-0,65 5 0,67-0,72 10 0,52-0,58 1 10 0,56-0,62 20 0,44-0,50 15 0,51-0,56 40 0,38-0,44 20 0,47-0,50 60 0,36-0,42 2 0,90-0,92 4 0,76-0,80 3 0,85-0,88 6 0,71-0,75 5 0,79-0,83 10 0,66-0,71 2 10 0,72-0,77 20 0,61-0,66 15 0,66-0,73 40 0,55-0,61 20 0,65-0,70 60 0,52-0,58 2 0,93-0,95 4 0,84-0,86 3 0,90-0,92 6 0,78-0,82 5 0,85-0,88 10 0,74-0,78 3 10 0,79-0,83 20 0,68-0,73 15 0,76-0,80 40 0,64-0,69 20 0,74-0,79 60 0,62-0,67 Приложение 4 Коэффициенты использования связующей полосы заземлителей из стальных труб или уголков Отношение расстояния между Количество труб или уголков заземлителя заземлителями к их длине 4 8 10 20 30 40 Размещение полосы в ряду труб или уголков 1 0,77 0,67 0,62 0,42 0,31 0,21 2 0,89 0,79 0,75 0,56 0,46 0,36 3 0,92 0,85 0.82 0,68 0,58 0,49 Размещение полосы вдоль контура труб или уголков 1 0,45 0,36 0,34 0,27 0,24 0,21 2 0,55 0,43 0,40 0,32 0,30 0,28 3 0,70 0,60 0,56 0,45 0,41 0,37

262


Приложение 5 Технические характеристики одинарных реакторов Номинальное Длительно Динамическая Термическая индуктивное допустимый Тип реактора стойкость, кА стойкость, с. сопротивление, ток, І ном., А Хном., Ом РБ; РБУ; 0,35 400 25 8 РБГ 10-400-0,35 РБ; РБУ; 0,45 400 25 8 РБГ 10-400-0,45 РБ; РБУ; 0,25 630 40 8 РБГ 10-630-0,25 РБ; 0,40 630 32 8 РБУ10-630-0,40 РБГ 10-630-0,40 0,40 630 33 8 РБ; РБУ; 0,56 630 24 8 РБГ 10-630-0,56 РБ; 0,14 1000 63 8 РБУ10-1000-0,14 РБГ 10-1000-0,22 0,22 1000 49 8 РБ; РБУ; 0,22 1000 55 8 РБГ 10-1000-0,22 РБ; РБУ; 0,28 1000 45 8 РБГ 10-1000-0,28 РБ; РБУ; 0,35 1000 37 8 РБГ 10-1000-0,35 РБ; РБУ; 0,45 1000 29 8 РБГ 10-1000-0,45 РБ; РБУ; 0,56 1000 24 8 РБГ 10-1000-0,56 Приложение 6 Технические данные уставок токовой защиты коммутационного аппарата Номер Значение тока уставки при номинальном токе аппарата, А уставки 25 63 80 125 160 250 320 400 500 1 62 125 160 250 320 500 640 800 1000 2 75 160 200 325 400 625 800 1000 1250 3 92 190 240 375 480 750 960 1200 1500 4 107 225 280 440 560 875 1120 1400 1750 5 125 250 320 500 640 1000 1280 1600 2000 6 138 285 360 565 720 1125 1440 1800 2250 7 152 315 400 630 800 1250 1600 2000 2500 8 170 359 440 690 880 1375 1760 2200 2750 9 187 375 480 750 960 1500 1920 2400 3000 263


Приложение 7

Тип реле РТ-40/2 РТ-40/6 РТ-40/10 РТ-40/20 РТ-40/50 РТ-40/100 РТ-40/200

Технические данные реле РТ-40 Уставки (А) по диапазонам І (последовательное ІІ (параллельное соединение обмоток) соединение обмоток) 0,5; 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8; 2,0 1,5; 1,8; 2,1; 2,4; 2,7; 3,0 3,0; 3,6; 4,2; 4,8; 5,4; 6,0 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5; 5,0 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0; 10,0 5 -10 10 - 20 12,5 - 25 25 - 50 25-50 50-100 50-100 100-20 Приложение 8

Технические характеристики комплектных рудничных трансформаторных подстанций типов ТСВП; КТПВ номинального первичного напряжения 6,0 кВ Наименование Полная номинальная мощность, кВА параметра 100 160 250 400 630 1000 Частота, Гц 50 0,4 0,4 0,4 0,4 0,69 0,69 Вторичное напряжение (U2хх) холостого хода, кВ 0,69 0,69 0,69 0,69 1,2 1,2 Активное сопротивление вторичной обмотки подстанций ТСВП (Rтр), Ом 0,0202 0,0118 0,0063 0,0036 U2хх = 0,4 кВ 0,0605 0,0353 0,0190 0,0107 0,0057 0,0035 U2хх = 0,69 кВ 0,017 0,0079 U2хх = 1,2 кВ Индуктивное сопротивление вторичной обмотки подстанций ТСВП (Xтр), Ом 0,0518 0,0327 0,0213 0,0134 U2хх = 0,4 кВ 0,1553 0,0980 0,0639 0,0403 0,0258 0,0190 U2хх = 0,69 кВ 0,0776 0,0571 U2хх = 1,2 кВ Активное сопротивление вторичной обмотки подстанций КТПВ (Rтр), Ом 0,02619 0,01302 0,00762 0,00402 0,00619 0,00345 U2хх = 0,69 кВ 0,01872 0,01044 U2хх = 1,2 кВ Индуктивное сопротивление вторичной обмотки подстанций КТПВ (Xтр), Ом 0,14041 0,10633 0,06813 0,04027 0,02645 0,02381 U2хх = 0,69 кВ 0,08000 0,07200 U2хх = 1,2 кВ Аналогом участковых комплектных трансформаторных подстанций КТПВ-630/6-0,69; КТПВ-630/6-1,2; КТПВ-1000/6-0,69; КТПВ-1000/6-1,2 по техническим характеристикам являются подстанции, соответственно, - ВСТП-630/6-0,69; ВСТП-630/6-1,2; ВСТП-1000/6-0,69; ВСТП-1000/6-1,2

264


Приложение 9 Технические характеристики шахтных кабелей Номинальный Удельные параметры Сечение, мм2 ток, А R, Ом/км X, Ом/км C, мкФ/км Кабели марок ВЭВПШв и ВЭВбШв на напряжение до 6,0 кВ 3х25+1х10 110 0,727 0,091 0,246 3х35+1х16 135 0,524 0,087 0,295 3х50+1х25 165 0,387 0,083 0,344 3х70+1х50 210 0,268 0,080 0,406 3х95+1х50 255 0,193 0,078 0,455 3х120+1х50 300 0,153 0,076 0,492 3х150+1х50 335 0,124 0,074 0,541 3х185+1х50 385 0,099 0,072 0,640 Кабели марок ЭВБВ; ЭВБВнг; ЭВБВк на напряжение до 6,0 кВ 3х16+1х6 98 1,15 0,102 0,234 3х25+1х10 126 0,727 0,091 0,246 3х35+1х16 152 0,524 0,087 0,295 3х50+1х25 182 0,387 0,083 0,344 3х70+1х35 235 0,268 0,080 0,406 3х95+1х35 283 0,193 0,078 0,455 3х120+1х35 327 0,153 0,076 0,492 Кабели марок ЭВБВ; ЭВБВнг; ЭВБВк на напряжение до 1,2 кВ 3х16+1х6 89 1,15 0,076 0,258 3х25+1х10 118 0,727 0,071 0,295 3х35+1х16 144 0,524 0,069 0,369 3х50+1х25 175 0,387 0,067 0,431 3х70+1х35 227 0,268 0,065 0,455 3х95+1х35 276 0,193 0,064 0,517 3х120+1х35 318 0,153 0,063 0,554 Кабели гибкие экранированные марки КГЭШ на напряжение до 1,2 кВ 3х6+1х4+3х2,5 58 3,100 0,095 0,270 3х10+1х6+3х2,5 75 1,960 0,092 0,345 3х16+1х10+3х2,5 105 1,220 0,090 0,363 3х25+1х10+3х2,5 136 0,767 0,088 0,424 3х35+1х10+3х2,5 168 0,539 0,084 0,520 3х50+1х10+3х2,5 200 0,394 0,081 0,670 3х70+1х10+3х2,5 250 0,281 0,079 0,870 3х95+1х10+3х2,5 290 0,202 0,078 1,150 3х120+1х10+3х2,5 325 0,190 0,076 1,320

265


Приложение 10 Технические данные высоковольтных комплектных распределительных устройств Для размещения Рудничные внутреннего внешнего КСОКЭ-10 КМ-1КРУН-6 (10) КРУВ- КРУРН285 10-31,5 6 6 сборных 630; 1000; шин, А 1000 1600; 630 2000; 630; 3200 1000; 1600 рабочий, А 400; 630; 20; 32; 50; 100; 630; 1000; 40; 50; 160; 320; 1000 1600; 80; 100; 400; 630 2000; 160 3200 отключения, А 20 31.5 20 10 10 Электродинамическая стойкоть главных цепей к токам к.з., кА (амплиитуда) 51 81 52 25 25 Термическая стойкоть главных цепей к токам к.з., кА/с (ток/время) 20/4,0 31,5/3,0 10/4,0 9,6 10 Номинальный ток

УК6

100; 200; 315; 400 5 12,5 7,5

Приложение 11 Технические характеристики устройства плавного пуска серии УВППД-315 производства ООО «Донецкий электротехнический завод» Наименование параметра Номинальное линейное напряжение, В Номинальный ток, А Тип контактора Максимальная мощность управляемого электродвигателя, кВт Вид и уровень защиты, РВ Продолжительность регулируемого плавного пуска двигателя, с

266

Значение параметра 1140 / 660 315 КМ17Р37 474 / 274 РВ 3В Иа 5 - 30


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лейбов Р.М. Электрификация подземных горных работ: учебник [для студентов высших учебных заведений] / Лейбов Р.М., Озерной М.И. - М.: Недра, 1972. – 464 с. 2. Электрификация горного производства: учебник в 2-х томах [для студентов высших учебных заведений] / под. ред. Пучкова Л.А., Пивняка Г.Г.- М.: Горная книга, 2007. - Т.1. – 2007.- 511 с., Т.2. – 2007. – 595 с. 3. Щуцкий В.И. Электрификация подземных горных работ: учебник [для студентов высших учебных заведений] / Щуцкий В.И., Волощенко Н.И., Плащанский Л.А. – М.: Недра, 1986. – 364 с. 4. Колосюк В.П. Техника безопасности при эксплуатации рудничных электроустановок / Колосюк В.П. – М.: Недра, 1987. – 407 с. 5. Правила устройства электроустановок – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 648 с. 6. Правила безпеки у вугільних шахтах – К.: ДНАОП, 1996. - 150с. 7. Правила технічної експлуатації електроустановок споживачів. Затв. 25.07.2006 № 258/ Міністерство палива та енергетики України. Х. Індустрія. 2007. – 272 с. 8. Правила устройства электроустановок. СПб.- Издательство ДЕАН. – 2003. – 928 с. 9. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей Энергоатомиздат, 1989, - 432с. 10. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей и Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей. Гл. Э3.2. Электроустановки во взрывоопасных зонах Главэнергонадзор. – М.: Энергоатомиздат, 1990, - 32с. 11. Электробезопасность в горнодобывающей промышленности / [Гладилин Л.В., Щуцкий В.И., Бацежев Ю.Г., Чеботаев Н.И.] – М.: Недра, 1986. – 364 с. 12. Ягудаев В.М. Защита от электропоражения в горной промышленности / Ягудаев В.М., Шишкин Н.Ф., Назаров В.В. – М.: Недра, 1982. - 152с. 13. Цапенко Е.Ф. Электробезопасность на горных предприятиях: учебн. пособ. [для студентов высших учебных заведений] / Ца267


пенко Е.Ф., Шкундин С.З. - [2-е изд.] – М.: Горная книга, 2008. – 103 с. 14. Вареник Є.О. Забезпечення безпеки та ефективності шахтних електроустановок / [Вареник Є.О., Випанасенко С.І., Дзюбан В.С., Шидловська Н.А., Шкрабець Ф.П.]; за ред. акад. НАН України Півняка Г.Г.- Дніпропетровськ: НГУ, 2004. – 334 с. 15. Дзюбан В.С. Аппараты защиты от токов утечки в шахтных электрических сетях / Дзюбан В.С. – М.: Недра, 1982. - 152с. 16. Руководство по ревизии, наладке и испытанию подземных электроустановок шахт / [Чумаков В.А., Глухов М.С., Осипов Э.Р. и др.]; под ред. Дехтярёва В.И. – М.: Недра, 1989. - 614с. 17. Справочник энергетика угольной шахты / [Дзюбан В.С., Ширнин И.Г., Ванеев Б.Н., Гостищев В.М.]; под общ. ред. Ванеева Б.Н. – [2-е изд.] – Донецк: ООО «Юго-Восток Ltd.», 2001 – Т1, 447с., Т2, - 440с. 18. Справочник по взрывозащищённому электрооборудованию / [Пархоменко А.И., Дзюбан В.С., Ширнин И.Г., Маслий А.К.]; под ред. Пархоменко А.И. – К.: Техника, 1990. – 198 с. 19. Переходные процессы в системах электроснабжения: учебник [для студентов высших учебных заведений] / [Пивняк Г.Г., Винославский В.Н., Рыбалко А.Я., Незен Л.И.]; под ред. академика НАН Украины Пивняка Г.Г. - [3-е изд.]. - М.: Энергоатомиздат; Днепропетровск. НГУ, 2003. - 548 с. 20. Математичне моделювання електромагнітних процесів передачі енергії: навч. посібник [для студентів вищих навч. закл.] / [Півняк Г.Г., Поляков М.Г., Рибалко А.Я., Сушко С.О.]; за ред. акад. НАН України Півняка Г.Г.- Дніпропетровськ: НГУ, 2003 . – 145 с. 21. Основы электроснабжения горных предприятий: Учебн. пособие / под ред. Волотковского С.А.. - К: Вища школа, 1978.- 272 с. 22. Рогоза М.В. Електричні апарати: навч. посібник [для студентів вищих навч. закл.] / Рогоза М.В. - Дніпропетровськ. НГУ, 2005. - 208 с. 23. Электрические аппараты высокого напряжения: Учебное пособие для вузов / [Александров Г.Н., Борисов В.В., Иванов В.А. и др]; под ред. Александрова Г.Н.– Л.: Энергоатомиздат, 1989. 344с. 268


24. Дорошев К.И. Комплектные распределительные устройства / Дорошев К.И. – М.: Энергоатомиздат, 1982. – 376 с. 25. Груба В.И. Монтаж и эксплуатация электроустановок: учебник [для студентов высших учебных заведений] / Груба В.И., Калинин В.В., Макаров М.И. – М.: Недра, 1991. - 239с. 26. Соколов Б.А. Монтаж электрических установок / Соколов Б.А., Соколова Н.Б. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 592 с. 27. Монтаж электромеханического оборудования энергоёмких производств: учебн. пособ. [для студентов высших учебных заведений] / под общ ред. Следя. Н.Н.– Донецк: УкрНТЭК, 2001. – 320 с. 28. Півняк Г.Г. Системи ефективного енергозабезпечення вугільних шахт / [Півняк Г.Г., Шкрабець Ф.П., Заїка В.Т., Разумний Ю.Т]; за ред. акад. НАН України Півняка Г.Г.Дніпропетровськ: НГУ, 2004. – 206 с. 29. Шидловский А.К. Эффективные режимы работы электротехнических комплексов / Шидловский А.К., Пивняк Г.Г., Выпанасенко С.И., Слесарев В.В. - Днепропетровск: НГА Украины, 2000. – 184 с. 30. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию. Т.2. Электрооборудование / под общ. ред. Федорова А.А. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 592 с. 31. Фёдоров А.А. Учебное пособие для курсового и дипломного проектирования по электроснабжению промышленных предприятий: учебн. пособ. [для студентов высших учебных заведений] / Фёдоров А.А., Старкова Л.Е. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 368 с. 32. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: учебник [для студентов высших учебных заведений, 2-е изд.] / Кудрин Б.И.– М.: Интермет Инжениринг, 2006. – 672 с. 33. Справочник по электроустановкам угольных предприятий. Электроустановки угольных шахт / [В.Ф. Антонов, Ш.Ш. Ахмедов, С.А. Волотковский и др. ] – М.: Недра, 1988. – 727 с. 34. Макаров Е.Ф. Справочник по электрическим сетям 0,4-35 кВ и 110 -1150 кВ: учебно-производственное изд. Т. 1. Справочник по электрическим сетям 0,4-35 кВ / под ред. Горюнова И.Т., А.А. Любимова А.А. – М.: Папирус Про. – 1999. – 608 с. 35. Взрывобезопасность рудничного электрооборудования / [Каймаков А.А., 269


Торгошев В.С., Песок С.А., Кашицин Г.Е., Васнев М.А.]; под ред. Каймакова А.А. – М.: Недра, 1982. – 216 с. 36. Коган Э.Г. Способы и средства обеспечения искробезопасности рудничного электрооборудования / Коган Э.Г. – М.: Недра, 1988. - 101с. 37. Дзюбан В.С. Взрывозащищённые аппараты низкого напряжения / Дзюбан В.С. – М.: Энергоатомиздат, 1993. – 240 с. 38. Справочник по электрическим аппаратам высокого напряжения / [Адоньев Н.М., Афанасьев В.В., Бортник И.М.и др.]; под ред. Афанасьева В.В.– Л.: Энергоатомиздат, 1987. - 544с. 39. Энциклопедия горной механики / Под общ. ред. Б.А. Грядущего. – Донецк: НИИГМ им. М.М. Фёдорова, 2008. – Том 2. – Донецк: Донбасс, 2008. – 320 с. 40. Маренич К.Н. Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммутаторами /Маренич К.Н. - Донецк: ДонГТУ, 1997. - 64 с. 41. Сычёв Л.И. Шахтные гибкие кабели / Сычев Л.И., Реут Л.З. – М.: Недра, 1971. - 192с. 42. Гуляев Б.В. Взрывозащита и электробезопасность шахтных сетей / Гуляев Б.В. – Киев-Донецк: Вища школа, 1986.- 138 с.

270


МАРЕНИЧ Костянтин Миколайович КАЛІНІН Валентин Васильович ТОВСТИК Юрій Васильович ЛІЗАН Ігор Ярославович КОЛОМІЄЦЬ Валерій Віталійович

ЕЛЕКТРООБЛАДНАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНИХ УСТАНОВОК ГІРНИЧИХ ПІДПРИЄМСТВ

Підручник (російською мовою)

Редакційно-технічне оформлення, комп’ютерна верстка, дизайн обкладинки, переклад з української К.М. Маренич

Підписано до друку 19.06.2015 р. Формат 60×841/32. Папір крейдований. Гарнітура"Newton". Друк – лазерний. Обл.-вид. л. 9,83. Ум. друк. арк. 7,56. Замовлення №1015. Тираж 500 прим. Видавництво: ТОВ "Технопарк ДонДТУ "УНІТЕХ" Свідоцтво про внесення видавця до Державного реєстру суб'єктів видавничої діяльності – ДК 1017 від 21.08.2002 Тел.: +380 (66) 029-44-30 Ел. пошта: m-lab@ukr.net Віддруковано у друкарні ТОВ "Норд Комп’ютер" на цифрових лазерних видавничих комплексах Rank Xerox DocuTech 135 і DocuColor 2060 Тел.: +380 (62) 389-73-82, 389-73-86 Ел. пошта: nordpress@gmail.com 271


Маренич Константин Николаевич, заведующий кафедрой «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова», проректор по научной работе Донецкого национального технического университета (г. Донецк) профессор, доктор технических наук

Калинин Валентин Васильевич, в 2009 г. доцент кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» Донецкого национального технического университета (г. Донецк), кандидат технических наук, доцент

Товстик Юрий Васильевич, начальник отдела соответствия техническим регламентам ГП «Донецкий экспертно-технический центр Гоструда», в 2009 г. - заведующий лабораторией отдела электрооборудования Государственного Макеевского НИИ по безопасности работ в горной промышленности, доцент кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» Донецкого национального технического университета (г. Донецк), кандидат технических наук, с.н.с., доцент

Лизан Игорь Ярославович, доцент кафедры «Электромеханические системы» учебно-научного профессиональнопедагогического института (г. Артёмовск) Украинской инженерно-педагогической академии, кандидат технических наук, европейский инженер-педагог

Коломиец Валерий Витальевич, директор учебно-научного профессиональнопедагогического института (г. Артёмовск) Украинской инженерно-педагогической академии, кандидат технических наук, доцент

Электрооборудование технологических установок горных предприятий  

В учебнике изложены основные положения относительно применения электрооборудования, вопросы электробезопасности и средств защиты, а также во...

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you