Для Украины уголь является важнейшим фактором, обеспечивающим ее энергетическую безопасность, следовательно, и политическую независимость. Имеются все основания считать, что значимость угля с течением времени будет возрастать, причем не только в сфере энергетики. Другие области хозяйствования (металлургия, химия и др.) также тесно связаны с угольной отраслью. Угольная промышленность приобретает стратегическое значение и все чаще становится объектом внимания правительств Украины. Другие области хозяйствования (металлургия, химия и др.) также тесно связаны с угольной отраслью. Угольная промышленность приобретает стратегическое значение и все чаще становится объектом внимания правительств Украины.

    24 ноября 1992 г. в Украине принят закон “Об охране труда“, определяющий основные принципы государственной политики в этом направлении и провозглашающем в качестве приоритета жизнь и здоровье человека. Несчастные случаи со смертельным исходом, связанные с поражением людей электрическим током, составляют до 4% от общего числа несчастных случаев на производстве горных предприятий. Анализ статистических данных, проведенных институтами МакНИИ и ДонНТУ за период с 1991 по 1998 гг., показал, что за это время в угольных шахтах Украины произошло 98 случаев поражения людей электрическим током со смертельным исходом. В установках до 1200 В произошло 73.5% случаев поражения, из которых: при эксплуатации кабельных сетей – 25.5%, в устройствах пусковой и коммутационной аппаратуры – 18.4%, в сетях электровозной откатки – 18.6%. Согласно статистическим данным МакНИИ за период с 1990 по 1997 г. от электрических источников на шахтах Украины произошло 30 взрывов метановоздушной смеси и угольной пыли. В среднем на шахтах Украины через каждые 317 суток происходит один взрыв от коротких замыканий (КЗ) в кабельной сети участка. Кроме того, значительная часть эндогенных пожаров под землей происходит по вине электротехнического оборудования. Исследования указывают на то, что в среднем ежегодно в шахтах происходит 66 пожаров по причине коротких замыканий и отказах в срабатывании средств защиты.

    Приведенные данные свидетельствуют, что проблема обеспечения безопасности людей, обслуживающих и эксплуатирующих электрооборудование угольных шахт, до сегодняшнего дня остается не решенной. Известно, что во многих случаях предпосылками возникновения короткого замыкания в сети электроснабжения участка шахты является возникновение утечки тока на “землю“. Разработка надежных методов ликвидации этих предпосылок (возникшей утечки) является актуальной научной задачей. В этой связи так же актуальным является совершенствование методов оценки динамических факторов, сопровождающих возникновение однофазной утечки (мгновенного значения тока утечки, его энергетических характеристик и др.), а также факторов, сопутствующих аварийному отключению сети (влияние ЭДС продолжающих вращение двигателей, например). Таким образом, вопросы повышения надежности работы и безопасности эксплуатации систем электроснабжения угледобывающих участков продолжают оставаться актуальными.

    Предмет исследования – факторы, определяющие порог опасности для человека участковой сети, находящейся в аварийном режиме.

    Задача исследования - разработать математическую модель системы “участковая сеть – человек“, позволяющую получить интегральные показатели уровня опасности сети для человека, которые учитывают три сменяющихся этапа аварийной ситуации, включая переходные процессы на их границах.

    В основу решения поставленных задач положено математическое моделирование системы электроснабжения участка, его заземляющей сети, устройств компенсации, нелинейного дросселя, двигателей в режиме выбега. При разработке математических моделей использованы методы симметричных составляющих, узловых потенциалов, эквивалентные преобразования. Интегрирование линейных систем выполнялось, как правило, обобщенным классическим методом. Нелинейные модели исследовались численным интегрированием по методу Рунге-Кутта.

    Возникает естественный вопрос: какое количество энергии, поглощенной человеком, можно считать допустимым, неопасным для его жизни и здоровья? В литературных источниках рассматриваются три возможных показателя, позволяющие дать интегральную оценку уровня опасности исследуемой аварийной ситуации:

1. Эквивалентное (среднеквадратичное за время действия tд) значение тока Iе, протекающего через тело человека:

    2. Количество электромагнитной энергии Q, поглощенной телом человеком за время действия тока и связанное с его сопротивлением Rh зависимостью (при условии Rh=const):

    3. Количество электричества (зарядов) q, прошедшего через тело человека:

    Американский инженер-электрик С. Дальзиель предложил коэффициент К, численно равный величине допустимого тока, действующего в течение 1 с (коэффициент Дальзиеля). При другом времени воздействия t допустимое значение тока Iд определяется соотношением:

    Значения допустимых токов и связанные с ними значения поглощенной энергии, приведенные Дальзиелем и Лейбовым, близки. Однако, по мнению многих авторов они являются завышенными.

    Наиболее вероятно, что безопасное для человека значение коэффициента Дальзиеля находится в пределах К = 0.0455…0.165, что соответствует значению энергии, поглощенной человеком в течение одной секунды в пределах Q = 2.4…27.2 Дж. Как видим, “вилка“ значений допустимой энергии расходится более чем на порядок и не дает полной ясности в поставленном вопросе.

    В ГОСТ 12.038–82 приводится таблица предельно допустимого переменного тока частотой 50 Гц в зависимости от времени воздействия. Из таблицы следует, что допустимые значения эквивалентного тока и поглощенной энергии существенно зависят от длительности тока. В этом заключается различие от критерия оценки, построенного на гипотезе о постоянном допустимом значении поглощенной энергии.

    Существующие различия во взглядах и точках зрения специалистов и отсутствие основополагающего стандарта не позволяют обоснованно подойти к определению допустимых токов через тело человека и поглощенной им при этом энергии. Кроме того, гипотеза о постоянном значении допустимой поглощенной энергии расходится с требованиями действующего ГОСТ 12.038–82. И все же для сравнительно узких интервалов времени количество поглощенной энергии как критерий оценки тяжести поражения удобен в использовании. В частности, для шахтной участковой сети, когда человек находится под напряжением почти до остановки двигателей (наиболее неблагоприятная ситуация), этот интервал составляет от 0.95 до 1.15 с.

    В данном исследовании допустимые значения количества поглощенной энергии в пределах Qд = 2.5…5 Дж (вероятно заниженные) принимаются лишь в качестве ориентира. Эта величина рассматривается как предварительная оценка тяжести поражения. Отметим также, что значение Q однозначно связано с коэффициентом Дальзиеля и эквивалентным значением тока соотношением:

Рис. 1. Схема компенсации емкостной составляющей токов утечки с емкостным фильтром нулевой последовательности.

    На схеме рис. 1 обозначено: фазы А, В, С источника питания; R, С – сопротивления изоляции и емкости фаз кабелей по отношению к земле; LД, RД – индуктивность и активное сопротивление компенсирующего дросселя; IП , RП – ток и сопротивление в месте повреждения.

   Тот фактор, что в схеме рис. 1 не учтены сопротивления потребителей обусловлен тем, что токи утечек представляют собой нулевую последовательность, на которую исправные, не имеющие связи с землей потребители не оказывают существенного влияния (отметим также, что защита от утечек должна работать безупречно и в режиме холостого хода силовой цепи). Решение поставленных в разделе задач по своей сути сводится к анализу эквивалентной схемы рис. 1. При разработке математических моделей принимаются следующие допущения:

 - Источник питания и все потребители участка являются симметричными и не оказывают влияния на токи утечек и режим их компенсации.
 - Волновые процессы в кабелях не учитываются.
 - Фазы неповрежденных кабелей симметричны (это значит, что их емкости и проводимости по отношению к «земле» равны).  

    Схема рис. 1 в установившемся режиме описывается системой уравнений в символической форме, составленных для узлов 4, 5 и контура «земля» – R_Д, L_Д – С_F – С – «земля»(1):

(U_FА + U_FВ + U_FС) / Z_F – I_Д = 0;

(U_А + U_В + U_С) / Z_УТ + U_А / R_п + I_Д = 0;

U_F + I_Д·Z_Д  – U_А = 0 ,

где: U_FА, U_FВ, U_FС – комплексы напряжений на элементах ФНП;

Z_F = 1/jωС_F – комплекс сопротивления фазы ФНП;

Z_УТ = R_и·(1/ jωС) /( R_и+1/ jωС) – комплекс эквивалентного сопротивления между силовой жилой кабеля и землей;

Z_Д = R_Д + jωL_Д – комплекс сопротивления дросселя.

Учитывая, что

U_FВ = U_F – U_АВ ,                       U_FС = U_F + U_СА ,                   U_АВ – U_СА = 3·Е_А ,

где Е_А – комплекс ЭДС фазы А источника питания;

уравнения  (1)  приводятся к виду (2):

3U_F/Z_F – I_Д = 3Е_А/Z_F;

U_А·(3/Z_УТ + 1/ R_п) + I_Д = 3Е_А/Z_УТ;

U_FА + I_Д·Z_Д – U_А = 0.

Полученная система (2) является математической моделью цепи рис. 1 для установившихся (комплексных) значений ее переменных состояния. Остальные величины, характеризующие работу цепи: напряжение смещения нейтрали U_N, напряжение неповрежденной фазы U_В или U_С, ток в месте повреждения I_П определяются из выражений(3);(4);(5):

U_N = Е – U_А;

U_С = Е·exp(j·2·π /3)  – U_N ;

I_П = U_А / R_П . 

3·С₀·du_FА/dt – i_Д= 3·С₀·dе_А/dt ;

i_Д + 3·С·du_А/dt + u_А·(1/R_П + 3/R_И) = 3·С·dе_А/dt + 3·е_А/R;

L_Д·di_Д/dt + R_Д·i_Д – u_А + u_F = 0 ,

где i_Д ,  u_А ,  u_FА   –  мгновенные значения переменных состояния;

e = E_m·sin(ωt + ψ) – мгновенное значение ЭДС фазы А источника питания;

ψ – начальная фаза, определяющая момент коммутации.

Полученная математическая модель (6) позволяет исследовать схему рис. 1 в динамике.

Сам анализ динамики пока не представлен.