Введение
Пожар – одно из самых распространенных катастроф на нашей планете. Это неконтролируемое горение вне специального очага, наносящее материальный ущерб. Он характеризуется: образованием открытого огня и искр; повышенной температурой воздуха, предметов и т. п., токсичных продуктов горения и дыма; пониженной концентрацией кислорода; повреждением зданий, сооружений и установок; возникновением взрывов. Все это относится к опасным и вредным факторам, воздействующим на людей [1].
Обеспечения пожарной безопасности промышленных объектов, в том числе и угольных шахт, в соответствии с законодательством Украины об охране труда, является неотъемленной частью государственной деятельности. Снижение добычи угля не приводит, согласно статистических данных, к уменьшению количества экзогенных пожаров. В Украине ежегодно происходит от 50 до 80 подземных пожаров экзогенного происхождения, из них 36,7% от токов короткого замыкания в кабельных сетях, которые наносят экономические убытки угольным предприятиям в размере от 18,35 до 29,36 млн. грн. в год.
Анализ статистических данных о случаях пожаров в угольных шахтах Украины за период с 1992-2002г. показал, что экзогенные пожары имеют устойчивую тенденцию роста, а количество человеческих жертв непрерывно растет, что составляет 4 человека в год на 1млн.тонн угля. Большинство экзогенных подземных пожаров на шахтах происходит в результате повреждения электрооборудования и кабелей, при этом наиболее опасными в пожарном отношении, по отношению к другому электрооборудованию, являются шахтные кабельные сети. Поэтому задача, связанная с прогнозированием возможности воспламенения шахтных кабельных сетей от токов короткого замыкания и защитного выключения, при которых обеспечивается уровень пожарной безопасности, которая нормируется, является слишком актуальной и ее решение совпадает с интересами экономики Украины [1].
В сетях 6 кВ наиболее опасные с точки зрения инициирования пожаров являются дуговые однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) в кабелях. Пожарная опасность кабелей характеризуется следующими свойствами их изоляции:
а) способностью воспламенения и горения при наличии источника тепла, подводимого из места повреждения (горючесть кабеля);
б) способность поддерживать самостоятельное горение после прекращения действия внешнего источника тепла (способность распространять горение).
Прогорание наружной брони кабеля при дуговых ОЗЗ представляют серьёзную опасность с точки зрения воспламенения предметов, расположенных вблизи кабеля, под воздействием искр, представляющих собой раскалённые частицы металла и горящей изоляции [2].
Цель работы
Теоретическое обобщение и разработка метода оценки пожаробезопасности подземной системы электроснабжения 6 кВ угольной шахты для предотвращения воспламенения кабельных сетей в шахтах.
Идея работы
Представить вероятность воспламенения кабеля от однофазных токов замыкания на землю как случайный процесс совпадения в пространстве и времени ряда случайных факторов (частоты появления дугового ОЗЗ, наличие горючего материала в месте прокладки кабеля, надежности средств защиты и сроков их профилактики).
Для достижения поставленной цели определены следующие задачи исследования:
- провести статистический анализ интервалов времени между смежными пожарами в шахтных кабельных сетях от дугового ОЗЗ, на основании которого обосновать возможность применения теории марковских процессов для оценки причин воспламенения кабеля;
- установить зависимость тока в месте повреждения (тока утечки) от величины сопротивления в месте повреждения при различной длине питающего кабеля для статического и динамического режимов;
- определить зависимости вероятности возникновения пожара от частоты случайно появившегося в кабеле 6 кВ дугового ОЗЗ, наличие горючего материала в месте прокладки кабеля (взрывоопасная концентрация металловоздушной среды, наличие горючих материалов в месте появления ОЗЗ), надёжности защиты утечки тока на землю и сроков её профилактики.
Объект исследования - обособленная система электроснабжения 6 кВ участка угольной шахты.
Предмет исследования - факторы (дуговое ОЗЗ, наличие горючего материала в месте прокладки кабеля, аппаратура защиты, от побега тока на землю и сроки их профилактики), которые влияют на причину воспламенения шахтных кабельных сетей при их эксплуатации.
Методы исследования. Для достижения поставленной цели в работе использовались аналитические методы и методы, которые основаны на экспериментальных исследованиях, которые базируются на основных понятиях теории вероятностей и надежности.
Первый раздел работы посвящен исследованию зависимости тока в месте повреждения от величины сопротивления и различной длины питающего кабеля.
Постановка задачи – путём математического моделирования участка сети напряжением 6 кВ с изолированной нейтралью установить зависимость тока вместе повреждения при различной длине питающего кабеля. Исследование выполнить для статического и динамического режимов.
Эквивалентная схема исследуемого участка приведена на рисунке 1.1 На схеме обозначено : R, С – сопротивление изоляции и ёмкости кабеля по отношению к земле; Iп , Rп – ток и сопротивление в мест повреждения.
Допущения:
Части сети, отделённые от исследуемого участка трансформаторами, не оказывают влияния на исследуемый ток утечки.
Сопротивление в месте повреждения является чисто активным.
Ёмкость фаз исследуемой сети пропорциональна длине кабеля (не учитывается ёмкость присоединений).
Рисунок 1.1 - Схема исследуемого участка сети (GIF-анимация выполненна в приложении Easy GIF Animator; объем –19,1 кБ; размер – 467 x 267 пкс; количество кадров – 6; задержка между кадрами – 50 мс; задержка между последним и первым кадром – 60 мс; количество циклов повторений - 5)
Некоторые особенности полученных результатов:
В установившемся режиме ток утечки пропорционален длине кабеля (или ёмкости исследуемой цепи).
В интервале значений сопротивления в месте повреждения 0 < Rп < 500 Ом ток утечки изменяется незначительно (сеть по отношению к сопротивлению повреждения ведёт себя как источник тока).
По мере уменьшения сопротивления Rп наблюдается резкое возрастание импульсной (динамической) составляющей тока утечки, обусловленной скоротечным начальным разрядом и перераспределением заряда емкостей кабеля.
Представляет интерес переходный процесс при Rп < 100 Ом. По мере снижения Rп динамическая составляющая тока утечки может достигнуть десятков и сотен ампер. Однако длительность этого импульса составляет микросекунды. Опасность этой составляющей лучше оценивать количеством энергии, расходуемой в сопротивлении Rп.
Анализ показал, что при изменении Rп в пределах: 20 < Rп < 200 Ом,
постоянная времени переходного процесса меняется соответственно в пределах: 22,5 < тау < 225 мкс.
А энергия импульса соответственно: 13,47> W >13,47 Дж.
Таким образом, для указанного предела изменения Rп энергия импульса практически постоянна [1].
Во втором разделе описывается оценка пожаробезопасности участка угольной шахты.
Существуют нормативные документы, регламентирующие вероятность пожара на технологических объектах. Вероятность возникновения пожаров в электротехническом и другом единичном изделии не должна превышать величины 1*10-6 в течение года.
Специалисты различных стран принимают интенсивность появления аварий (катастроф) Н = 1*10-6 1/год как тот уровень риска, к которому следует стремиться на промышленных предприятиях. Объясняется это тем, что частота аварий (катастроф) на конкретном промышленном объекте равная 1*10-6 настолько мала, что ради выгоды, получаемой от эксплуатации объекта, общество (люди) готовы пойти на такой риск. Физический смысл этой величины можно объяснить следующим образом. Если под наблюдением в течение времени Т = 1 год будет находиться N = 1000000 однотипных технологических объектов, то статистически допускается одна авария (катастрофа) n = 1 в течение года на одном из этих объектов, т.е.
 .
Вероятность появления аварий (катастроф) в течение времени t может быть определена следующим образом:
 .
В том случае, если H*t < 0,1,
то  , при t = 1 год,  [3].
Статистический анализ данных об авариях,
произошедших за последние 5 лет в различных отраслях промышленности Украины и России, показал, что степень риска
появления аварий (катастроф) равна  1/год, т.е. на 3 порядка больше нормируемой величины.
Пожар на участке с обособленным питанием будем называть катастрофой, которая наступает при случайном совпадении в пространстве трёх случайных событий, имеющих различную частоту появления и длительность существования[4].
Предположим, что катастрофа на участке угольной шахты наступает при совпадении в пространстве и времени следующих событий: появления горючего материала (пожароопасная пыль, деревянная крепь и т.д.); повреждения кабельной линии (дуговое однофазное замыкание на землю); отказа в срабатывании автоматического защитного отключения (АЗО-6).
Наличие горючего материала на трассе прокладки кабеля обнаруживается только в результате профилактических осмотров и фиксируется с помощью приборов эпизодического действия либо визуально (горючий материал). Результаты осмотров и выявленных нарушений заносятся в специальный журнал учёта.
При возникновении утечки тока на землю (защита АЗО находится в отказавшем состоянии) с течением времени она превращается в дуговое замыкание на землю [5].
Рисунок 2.1 - Схема обособленного электроснабжения 6 кВ участка угольной шахты
1-кабельная линия между разделительным трансформатором и участковой передвижной подстанцией (УПП); 2-Аппарат защиты от утечек тока на землю (АЗО); 3- Защитный коммутационный аппарат (КРУ-6); 4- Разделительный трансформатор.
Устройство АЗО реагирует на токи утечки и может выходить из строя только тогда, когда оно находится в режиме ожидания. Если к моменту возникновения в сети повреждения, на которое должно реагировать АЗО оно находилось в исправном состоянии, то маловероятно, чтобы защита вышла из строя, находясь в режиме тревоги. После отказа АЗО в срабатывании защитного коммутационного аппарата при появлении ОЗ в зоне действия АЗО), его отказавшее состояние выявляется только в результате профилактических проверок. Проверки работоспособности АЗО считаются абсолютно надёжными и происходят через постоянный интервал времени  .
Состояние среды, окружающей кабельную линию 1 рис.2.1 представим в виде марковского процесса 
,которая может принимать два значения: «0»- среда вблизи кабельной линии безопасна; «1»-среда вблизи кабельной линии опасна. Обозначим частоту переходов среды из безопасного состояния в опасное через  , а из опасного в безопасное  .
Состояние кабельной линии можно характеризовать случайной величиной функцией  : «0»- в кабеле нет повреждений, т.е. отсутствует ток утечки на землю; «1»- в сети появился ток утечки на землю. Параметры процесса обозначим через  и  .
Состояние АЗО будем характеризовать с помощью функции  . В том случае, если  в системе защиты повреждений нет. В том случае, если  в системе произошёл отказ АЗО. Обозначим параметры процесса через  .
Катастрофа в системе может произойти при случайной встрече процессов в состоянии 1, т.е. когда  [3].
Задача состоит в том, чтобы зная параметры процессов  определить среднее время до первой катастрофы  , дисперсию этого времени  и вероятность наступления катастрофы в течение времени Q(t), если в начальный момент времени все элементы системы находились в безопасном состоянии.
Пожар может произойти при совпадении в пространстве и времени следующих случайных событий:
появления горючего материала (пожароопасная пыль, деревянная крепь и т.д.); повреждения кабельной линии (дуговое однофазное замыкание на землю); отказа в срабатывании автоматического защитного отключения (АЗО-6).
Вероятность пожаров Q(t) на участке сети
в течение времени t равна вероятности P8(t) случайного нахождения всех независимых элементов системы
«защита – ОЗЗ – горючий материал» в опасном состоянии, т. е. в исследуемой системе наблюдается в момент времени t:
ОЗЗ; отказ в срабатывании соответствующих средств защиты; наличие горючего материала вблизи кабельной линии. Вероятность P8(t) можно найти, пользуясь системой линейных дифференциальных уравнений [7]
Данная система уравнений решается при
начальных условиях:
P1(0) = 1,
P2(0) = P3(0) = P4(0) = P5(0) = P6(0) = P7(0) = P8(0) = 0,
которые вытекают из сделанных предположений о том, что в начальный момент времени в сети не наблюдается
повреждений, приводящих к ОЗЗ; АЗО находится в исправном состоянии;вблизи кабеля отсутствует горючий материал
Решение системы линейных дифференциальных
уравнений будем искать в виде:
Р(t) = Р(0)ехр(At),
где Р(0) = (1,0,…,0) – вектор-строка, содержащий начальные условия;
P(t) = [P1(t)]8i=1 - вектор-строка.
 .
где  ,
 ,  .
Здесь 
- средний интервал времени между появлениями опасной среды в месте прокладки кабеля и средняя длительность нахождения среды в опасном состоянии соответственно
;  - средний интервал времени между появлениями утечкитока на землю в кабеле
и средняя длительность срабатывания АЗО;
 - средний интервал времени между отказами АЗО и среднее время нахождения его в необнаруженном отказавшем состоянии.
Среднее время до первого пожара находим из системы уравнений:
 .
В тех случаях, когда , 
тогда из приведенной выше системы находим - среднее время до первого пожара, если в начальный
момент времени все элементы системы находились в безопасном состоянии [8].
 .
В практических случаях почти всегда
соблюдаются следующие соотношения: d2 >> d1 и d3 >> d1,
тогда формулу для нахождения можно представить в виде:
 .
Если заданы интервал времени между проверками наличия горючей смеси
вблизи прокладки кабеля, и интервал времени  между проверками работоспособности
системы отключения защитных коммутационных аппаратов, тогда  и
 можно найти из следующей формулы:
 [9].
При выполнении условий  ,
 из приведенной выше формулы находим:
 ,
 .
Подставляя формулы , и
в формулу находим:
 ,
Дисперсия времени до первого пожара определяется из  -фундаментальная матрица[10].
В том случае, если  , вероятность пожара на участке сети можно определить следующим образом:
 .
Заключение
В результате исследований в данной работе
была разработана математическая модель и предложена методика, которые позволяют прогнозировать вероятность
появления возможных пожаров на участке сети шахты электроснабжением 6 кВ, разрабатывать организационные и
технические мероприятия, позволяющие обеспечивать нормируемый ГОСТ 12.1.004-91 уровень пожарной безопасности.
Для этого была использована программа учета, анализа и обработки экспериментальных данных, разработанная
на кафедре «Электроснабжение предприятий и городов».
Литература
1. Ковалев А.П. О пожарной безопасности шахтных систем электроснабжения // Промышленная энергетика. – 1991. - №9. – С.12-14.
2. Ковалев А.П. О проблемах оценки безопасности технологических объектов топливно-энергетического комплекса Украины //Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Електротехніка і енергетика», вип. 79. Донецьк: ДонНТУ, 2004, с. 111-118.
3. Ковалев А.П., Шевченко О.А., Якимишина В.В., Пинчук О.Г. Оценка пожарной опасности асинхронных электродвигателей, эксплуатирующихся на промышленных предприятиях Украины. – Вісник Кременчугського держ. політехн. університета, 2004, вип. 2/2004. - 64 с.
4. Чумак А.С., Хорольский В.А. Оценка пожаробезопасности шахтных кабельных сетей и электроустановок //Безопасность труда в пром-сти.-1990.- №7.- С.32-33.
5. Автореферат дисертации, ДонНТУ Чурсінова А.О.
«Прогнозування надійності засобів захисту та термінів їхньої профілактики для запобігання займання шахтних кабельних мереж.»: http://avtoreferat.net/content/view/9644/8/
6. Кудрин Б.И. Электроснабжение
промышленных предприятий: Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1995. – 416 с.; М.: Интермет Инжиниринг, 2005. – 672 с.
7. Статья доц. кафедры ЭПП Московского
технического университета Матюнина Ю.В. «Электропотребление электротехнических систем»:
http://www.kudrinbi.ru/public/822/index.htm
8. Калинчик В.П. Контроль и оперативное управление
электропотреблением в промышленных электрических сетях //Киев. – 1983. – С. 5-7.
9. Тарадай В.И. Формирование характеристик
электропотребления при проектировании электрических сетей промышленных предприятий //Киев. – 1985. – С. 10-11.
10. Статья библиотеки магистранта 2006г. ЭТФ ДонНТУ Поварёнкина О.В.
«Метод симетрування для виділення стаціонарних компонент режимів виробництва і витрат енергоносіїв» Дмитрієва О.М., Лютий О.П.:
http://masters.donntu.ru/2006/eltf/povarenkina/library/t2.htm
Примечание:
в настоящее время магистерская работа на тему: "Оценка пожаробезопасности подземной системы электроснабжения 6 кВ угольной шахты" находится в стадии разработки. Подробные материалы работы можно получить
у автора.
|
