Электробезопасность в низковольтных сетях с изолированной нейтралью обеспечивается комплексом организационных и технических мероприятий, регламентируемых ПУЭ и ПБ. Одним из основных средств обеспечения электробезопасности в угольных шахтах является защитное отключение с устройством компенсации емкостных токов, которое позволяет снимать напряжение с человека, оказавшегося под напряжением, а также снижать ток до нормируемого ГОСТ 22929-78 значения. Актуальность данного исследования состоит в том,что применение упомянутых устройств может оказаться недостаточным вследствие появления обратной ЭДС вращения двигателей, значение которой может оказаться опасной с точки зрения поражения человека электрическим током. Причина состоит в особенностях основных электропотребителей участка — это, как правило, асинхронные двигатели привода различных машин. После отключения напряжения питающей сети роторы АД продолжают вращаться, что обусловлено запасом кинетической энергии, генерируя в сеть ЭДС вращения. Эта ЭДС, во-первых, поддерживает во включенном состоянии контакторы пускателей, а во-вторых, питает аварийную точку, что негативно влияет на параметры электробезопасности. Таким образом, цель моего исследования - разработать устройство, при помощи которого можно снизить вероятность электротравматизма и аварий.
1 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ УЧАСТКА ШАХТЫ
Типовая схема системы низковольтной электрической сети очистного участка шахты (рис.1.1) предполагает электропитание нескольких электроустановок от одной трансформаторной подстанции (ТСВП) и наличие разветвленной сети гибких кабелей (ГК) от пускателей (П) до электропотребителей (М). Предварительный контроль сопротивления изоляции гибких кабелей отключенных электропотребителей осуществляется блоками контроля изоляции (БКИ), встроенными в пускатели. БКИ не позволяет подавать напряжение на ответвление с поврежденным гибким кабелем.
Рисунок 1.1 – Типовая схема электроснабжения участка шахты
Условия эксплуатации рудничного электрооборудования в подземных условиях существенно отличаются от условий эксплуатации электрооборудования на общепромышленных предприятиях [1]. Рудничное электрооборудование устанавливается в выработках, имеющих ограниченные размеры, высокую влажность воздуха, значительное содержание в атмосфере угольной пыли. Электрооборудование и кабели в шахтах испытывают значительные механические воздействия при обвалах породы или пачек угля, а также при проведении взрывных работ. Нестационарное рудничное электрооборудование непрерывно или периодически перемещается по горным выработкам вместе с машинами и механизмами, или независимо от них.
Многие угольные шахты опасны по газу и пыли. Специфической особенностью таких шахт является возможность образования в атмосфере выработок взрывоопасной концентрации метана или смеси воздуха с определенным количеством угольной пыли.
Применение электрической энергии в таких шахтах создает условия для поражения людей электрическим током, возникновения пожаров и взрывов рудничной атмосферы.
Ограниченность размеров горных выработок при недостаточной освещенности значительно усложняет монтаж, обслуживание и профилактический ремонт рудничного электрооборудования [4]. Несвоевременное устранение неисправностей, влияние влажной атмосферы и угольной пыли, которое претерпевает рудничное электрооборудование, приводят к возникновению токов утечки на землю, которые при определенных условиях могут переходить в токи коротких замыканий. Повреждения рудничного электрооборудования и кабелей приводят к опасности поражения людей электрическим током, к пожарам и взрывам.
При неповрежденном рудничном электрооборудовании человек может касаться только тех элементов электрооборудования, которые в нормально состоянии не находятся под напряжением (непрямой контакт) [2]. Указанные элементы оказываются под напряжением только в случае повреждения электроизоляционных деталей. В то же время при нарушении инструкции по эксплуатации или повреждении электрооборудования может произойти и прямой контакт человека с токопроводящими частями.
Защита человека от поражения электрическим током осуществляется аппаратом защиты от утечек тока на землю АЗУР (АЗПБ, АЗУР.1, АЗУР.2, АЗУР.4 и др.), установленным в ТСВП. Этот аппарат выявляет утечку тока в электросети участка шахты и формирует команду на защитное отключение автоматического выключателя ТСВП. Однако электробезопасность эксплуатации электротехнического комплекса технического участка шахты будет в этом случае обеспечена не в полной мере. Причиной является ЭДС-вращения асинхронных двигателей потребителей, имеющие место после отключения напряжения цепи утечки тока на землю:
где Lm – индуктивность главного потока АД; Lp, w0 и s – полная индуктивность, синхронная частота вращения и скольжение ротора; Io – ток холостого хода АД; Uф – фазное напряжение статора в режиме холостого хода; Кн = 1 - 1,1 – коэффициент насыщения АД.
Таким образом, в случае касания человеком находящихся под напряжением токоведущих элементов сети между пускателем и АД и отключения по этой причине электросети со стороны питающей подстанции не предотвращается опасность электротравматизма, т. к. поражающим фактором остаётся ЭДС вращения АД. Опасность электротравматизма, обусловленного воздействием ЭДС вращения АД, обусловлена ещё и тем, что такое воздействие на человека, прикоснувшегося к находящемуся под напряжением токоведущему элементу сети, имеет место после воздействия напряжения сети. Целью данного проекта - разработка устройства защиты от воздействия ЭДС вращения АД.
2 РАЗРАБОТКА И ОБОСНОВАНИЕ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО РЕШЕНИЯ УСТРОЙСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ
С целью исключения подпитки места утечки тока на землю на участке между пускателем и двигателем со стороны последнего целесообразно автоматически подавлять ЭДС вращения двигателя всякий раз после исчезновения тока статора, потребляемого из сети. Этим будет так же исключено поддержание напряжения на первичных обмотках трансформаторов питания пускателей. Следовательно, в процессе аварийного отключения сети одновременно с отключением автоматического выключателя трансформаторной подстанции отключатся и контакторы пускателей, отсоединив электрически место утечки от статорных обмоток двигателей потребителей участка и исключив тем самым возможность подпитки места утечки и с их стороны.
К известным способам подавления ЭДС вращения АД следует отнести закорачивание статора, а так же отключение статора двигателя. В первом случае со стороны непосредственно у кабельного ввода двигателя предусмотрен полупроводниковый короткозамыкатель (диодный мост, нагруженный тиристором), включаемый в случае исчезновения тока в магистральном кабеле.
Рисунок 2.1 –Устройство для отключения электродвигателя после отключения питающей сети
Одним из реальных является способ принудительного закорачивания статора АД после отключения электропитания двигателя. Такой способ сопряжен с кратковременными, но значительными перегрузками двигателя по току, поскольку предполагается закорачивание статора:
где ik – ток статора (в короткозамкнутой цепи); Ebpm – амплитуда ЭДС вращения; z – полное сопротивление короткозамкнутой цепи; Ta – постоянная времени затухания апериодической составляющей тока двигателя ia в цепи короткозамыкателя; a - фаза включения при t=0; w - угол сдвига тока к.з.
С другой стороны, физическим моделированием установлена высокая эффективность подавления ЭДС вращения АД контакторным размыканием «звезды» обмотки статора [5]. В частности, на осциллограмме (рис. 2), представлен процесс отключения линейного напряжения статора АД мощностью 10 кВт в момент времени 0, 055с с последующим переходом этого линейного напряжения в линейную ЭДС вращения двигателя.
Рисунок 2.2 –Осциллограмма напряжения, ЭДС вращения статора АД в процессе отключения с последующим размыканием «звезды» его обмоток.
Принцип работы данного устройства основан на сопоставлении параметров аналоговых датчиков тока и напряжения. В исходном состоянии эти параметры составляют DU=0, DA=0. При подачи напряжения в сети показания датчика напряжения составят DU=1, а DA=0. При этом подается сигнал на включение двигателя в работу. Далее параметр датчика тока также становятся равными «1», что соответствует нормальной работе двигателя, тем самым поддерживается его рабочее состояние. При появлении тока утечки шахты, данное аварийное состояние выявляется соответствующим аппаратом защиты и производится защитное отключение электросети. Параметр датчика тока становится равным нулю, а параметр датчика напряжения остается неизменными в виду действия обратной ЭДС асинхронного двигателя. В связи с этим подается сигнал на размыкания контактов статора двигателя, что позволяет подавить возникшую ЭДС-вращения.
Схема управления короткозамыкателем (5) предполагает применение: аналоговых датчиков тока и напряжения в качестве формирователя сигнала о наличии (отсутствии) тока и напряжения в фазах А, В и С кабеля, триггера DA6 в качестве элемента запоминания появления тока и напряжения в кабеле; сигнал тактирования определяется элементами DA5, C1, C2 и R, а на элементах DA1-DA4 выполняется условие 2ИЛИ-НЕ для выявления момента замыкания контакторов статора.
Предполагается, что силовой коммутационный аппарат подключен непосредственно у двигателя. В связи с тем, что подавление ЭДС вращения АД должно происходить всякий раз после отключения двигателя от сети и выполняться в автоматическом режиме, применение закорачивания статора нерационально.
Рисунок 2.3 – Структурная схема автоматизации объекта.
На схеме приняты следующие обозначения: ДТ – датчик тока контактора SPVC 1 - 630; БП – блок питания; БКТ – разрабатываемый блок контроля наличия тока. Для обеспечения электробезопасности магистрального кабеля функция аппарата защиты достаточна, однако электробезопасность наиболее подверженных повреждениям и преобладающих на участке гибких кабелей обеспечивается не в полной мере. Причиной этого является наличие ЭДС вращения, индуктируемая вращающимся полем токов ротора на зажимах статора присоединённого к кабелю асинхронного двигателя (АД) после его отключения. Разрабатываемое устройство проектируется на основе контактора SPVC двигателя шахтной машины. Контактор однофазный вакуумный серии SPVC 1-630 (далее контактор) предназначен для коммутации электрических цепей однофазного тока промышленной частоты при напряжении до 1000 В. Контактор используется в качестве комплектующего изделия в низковольтных комплексных устройствах. Контактор способен пропускать ток перегрузки 5040 А в течение не менее 10 секунд. Он работоспособен в любом положении в пространстве. Контактор SPVC 1 - 630 имеет один замыкающий и один размыкающий вспомогательные контакты. Контактор имеет встроенный неферромагнитный датчик тока. За контролируемый параметр принимается сигнал с датчика тока контактора. Включение звезды статора асинхронного двигателя происходит при наличии напряжения питания, а отключение - при отсутствие тока. Структурная схемы автоматизации объекта (на основе контактора SPVC 1-630) с обозначением взаимосвязи разрабатываемого устройства приведена на рис. 2.3
В данной работе была рассмотрена проблематика утечек тока, а в особенности под влиянием ЭДС-вращения. Для обеспечения электробезопасности магистрального кабеля функция аппарата защиты достаточна, однако электробезопасность наиболее подверженных повреждениям и преобладающих на участке гибких кабелей обеспечивается не в полной мере. В случае касания человеком находящихся под напряжением токоведущих элементов сети между пускателем и АД и отключения по этой причине электросети со стороны питающей подстанции не предотвращается опасность электротравматизма, т.к. поражающим фактором остаётся ЭДС вращения АД, который переходит в режим генератора. Разработка блока управления этим процессом позволит снизить вероятность поражения человека электрическим током и этим снизить травматизм на производстве
1. Риман Я.С. Защита подземных электрических установок угольных шахт. — М.: Недра, 1977. — 206с.
2. Справочник энергетика угольной шахты: В 2 т. / В.С.Дзюбан, И.Г.Ширнин, Б.Н.Ванеев, В.М.Гостищев; Под общ. ред. канд. техн. наук Б.Н. Ванеева. — Изд. 2-е доп. и перераб. — Донецк: ООО "Юго-Восток, Лтд", 2001. — 447 с.
3. Щуцкий В.И., Волощенко Н.И., Плащанский Л.А. Электрификация подземных горных работ: Учебник для вузов — М.: Недра, 1986. — 364 с.
4. Груба В.И., Калинин В.В., Макаров М.И. Монтаж и эксплуатация электроустановок: Учеб. для вузов. — М.: Недра, 1991. — 239 с.: ил.
5. Маренич К. Н. Проблематика электробезопасности системы «кабель - двигатель» участка шахты // Наукові праці Донецького державного технічного університету. Випкск 27. Серія гірничо-електромеханічна. Донецьк, ДонДТУ, 2001, - С.270-277.
6. Правила безопасности в угольных и сланцевых шахтах. ДНАП1.1.30-01-96: Утв. Гос. Комитетом по наблюдению за охраной труда 18.01.96/ Гос. Комитет по наблюдению за охраной труда. – К, 1996, – 421с.