Предложено и на примере обосновано техническое решение, направленное на повышение уровня безопасности труда на предприятиях горнодобывающей промышленности. Идея заключается во введении в систему защитного отключения участковых низковольтных электрических сетей параллельных дублирующих звеньев. Предварительные расчеты указывают на существенное (на целый порядок) повышение работы системы защитного отключения при относительно небольших капиталовложениях.

Участковая шахтная сеть, аварийный режим работы, система защитного отключения, надежность, методика расчета, параметр потока отказов, вероятность.

Актуальность проблемы. Известно, что в участковых шахтных сетях напряжением до 1000 В двойному замыканию на заземляющий контур в различных точках и фазах сети предшествует появление однофазной утечки на землю в одной из фаз. За время существования неотключаемого однофазного замыкания (ОЗ), как правило, происходит пробой в месте ослабленной изоляции одной из фаз, находящихся под повышенным напряжением.

Ранее проведенные исследования подобной ситуации [1] показали, что при некоторых условиях (например , точки замыкания на заземляющий контур удалены от подстанции, оказывают влияние сопротивления сопровождающих аварию дугообразований) токи замыкания соизмеримы с пусковыми токами двигателей, что исключает надежную работу максимальной токовой защиты и способствует развитию аварии до катастрофических последствий. Существование двухфазного замыкания в различных точках сети представляет собой чрезвычайную опасность в отношении взрывов (при наличии повышенной концентрации метана или угольной пыли),пожаров (возможность воспламенения изоляции кабелей и прочих горючих материалов) и поражения человека электрическим током (при прикосновении к корпусу электрооборудования или элементам сети заземления между точками ОЗ).

Исходя из вышеизложенного, следует отметить, что подобная аварийная ситуация недопустима, и, для её предотвращения следует исключить предпосылки её возникновения, то есть, предусмотреть надежное отключение ОЗ системой защитного отключения (устройство защитного отключения УЗО, автоматический выключатель). Для этого, по мнению авторов, ещё следует разработать и обосновать соответствующие технические решения.

Цель работы. Задачей данной статьи ставится разработка и обоснование технических решений по повышению надежности системы защитного отключения, применяемого в участковых шахтных сетях.

Материалы и результаты исследований. Для определения частоты появления неотключаемых утечек тока на землю Н предлагается формула:

,     (1)

где – параметр потока появления ОЗ в j-том элементе сети;

– параметр потока отказов в срабатывании того защитного устройства;

– интервал времени между профилактическими осмотрами системы отключения і-того защитного коммутационного аппарата или і-той схемы УЗО;

m – число защитных аппаратов, отключающих сеть при появлении утечки тока на землю.

Формула (1) справедлива при выполнении следующих условий: интервалы времени между появлениями токов утечки в сети, интервалы времени между отказами в срабатывании системы отключения защитных коммутационных аппаратов, а также, интервалы времени между повреждениями в схеме УЗО не противоречат экспоненциальным функциям распределения вероятностей с параметрами соответственно и и, кроме того, соблюдается условие

,     (2)

Для случаев, при которых условие (2) не выполняется, кафедра Электроснабжения промышленных предприятий и городов разработала математические модели в виде систем линейных дифференциальных уравнений, позволяющих определить частоту (вероятность) возникновения в сети неотключаемых замыканий на землю. Разработан принцип составления логических схем замещения для оценки сложных аварийных ситуаций, а также методы сбора и обработки необходимой статистической информации.

При выводе зависимости (1) были приняты следующие допущения:

– устройства защиты могут выходить из строя только в режиме ожидания, т.е. маловероятно, чтобы оно отказало в момент повреждения в сети [2, 3];

– отказы в схеме УЗО и приводе выключателя выявляются и устраняются только в результате профилактических проверок, при этом предполагается, что проверки УЗО и привода выключателя абсолютно надежны;

- под отказом в срабатывании защитного коммутационного аппарата и средств защиты будем понимать событие, которое может привести к отказу коммутационного аппарата в срабатывании при ОЗ в зоне действия УЗО.

При равенстве сроков профилактики систем отключения защитных коммутационных аппаратов (т.е. ) выражение (1) примет вид:

,     (3)

Вероятность появления неотключаемого замыкания на землю в течении времени t можно определяется зависимостью:

,     (4)

Если , тогда при t=1 год

ПРИМЕР. В сети рис. 1а неотключаемая однофазная утечка тока на землю ОЗ происходит в случае: появилось ОЗ в элементе 3 с частотой , отказывает в срабатывании либо устройство защитного отключения (УЗО), которое имеет параметр потока отказов , либо автоматический выключатель – 1, на привод которого подается сигнал УЗО. Параметр потока отказов системы отключения автоматического выключателя в подстанции обозначим , параметр потока отказов в срабатывании системы отключения фидерного автоматического выключателя – , а параметр потока отказов системы отключения высоковольтного КРУ-6 кВ обозначим .

Контроль исправности УЗО и системы отключения автоматического выключателя 1, на которую воздействует УЗО, проверяется с помощью нажатия кнопки <<Проверка>> на панели УЗО, в результате чего, при исправной системе отключения, происходит срабатывание выключателя 1. Интервал времени между проверками УЗО обозначим , время между проверками системы отключения автоматического выключателя . В данном случае . Интервалы времени между проверками систем отключения высоковольтного КРУ (элемент 4 на схеме замещения) и автоматического фидерного выключателя (элемент 5) обозначим соответственно и .

Дано:

Определить для систем электроснабжения изображенных на рис. 1а и для предполагаемых вариантов построения схемы защитного отключения (рис. 1а, б, в);

а) частоту при появления неотключаемой утечки тока на землю при повреждении изоляции в кабеле 3.

б) во сколько раз повышается безопасность участка угольной шахты по отношению к базовому варианту рис. 1а, если вместо схемы защитного отключения рис. 1а использовать схемы рис. 1б, в, д.

Решение. Используя схему рис. 1а, б, в, г составляем схемы замещения рис. 2а, б, в, г, объясняющие возникновение неотключаемого ОЗ в сети. Согласно схеме замещения подставляем исходные данные в выражение (1):

Расчеты показали, что если, в случае появления ОЗ в защищаемой сети, сигнал на oтключение автоматического выключателя подстанции дублировать на:

– отключение высоковольтного КРУ (рис. 1б), то надежность отключения поврежденного участка сети увеличивается в раза;

– отключение автоматического фидерного выключателя (рис. 1в), то надежность возрастет в раза;

– в случае подачи дополнительного сигнала на отключение и на выключатель КРУ и на фидерный выключатель (рис. 1г), кратность повышения надежности отключения составит раза, что не на много превышает предыдущий вариант.

Вывод. Очевидно, что одним из технических решений, направленных на повышение надежности системы отключения участковой шахтной сети может служить любой из вариантов, выше изложенных.

Рисунок 1. Варианты повышения надежности системы защитного отключения.

     1. Автоматический выключатель в участковой подстанции.

     2. Блок защиты от утечек тока на землю (УЗО).

     3. Повреждение изоляции кабеля.

     4. Высоковольтное КРУ-6 кВ.

     5. Автоматический фидерный выключатель.

Рисунок 2. Деревья возникновения неотключаемых ОЗ в сети.

      – отказ в срабатывании отключения автоматического выключателя в подстанции;

      – отказ в срабатывании блока защит от утечек тока на землю;

      – ОЗ в одном из кабелей защищаемой сети;

      – отказ в срабатывании системы отключения высоковольтного КРУ-6 кВ;

      – отказ в срабатывании системы отключения автоматического фидерного выключателя.

Литература.

1.Ковалев А. П., Чорноус В.П., Чорноус Е.В., Моделирование шахтной участковой сети при двухфазном замыкании на заземляющий контур. Наукові праці Донецького державного технічного університету. Серія : „Електротехніка й енергетика”, вип.. 41; Донецьк; ДонДТУ , 2002 – с. 234-238.

2.Фабрикант В.П. О применении теории надежности к оценке устройств релейной защиты. – Электричество, 1963, №9, – с. 36-40.

3. Белоусенко И.В., Ершов М.С., Ковалев А.П., Якимишина В.В., Шевченко О.А. О расчете надежности систем электроснабжения газовых промыслов. – Электричество, 2004, №3, – с.23-28.

4. Ковалев А.П., Шевченко О.А., Журавель Е.А. О вероятности поражения человека электрическим током в сетях до 1000 В с изолированной нейтралью при замыкании двух фаз на землю. – Электричество, 2003, №1, – с. 23-27.