Вступ
Пожежа – одна з самих поширених катастроф на нашій планеті. Це неконтрольоване горіння поза спеціальним очата, що завдає матеріального збитку. Він характеризується: утворенням відкритого вогню і іскор; підвищеною температурою повітря, предметів і т. п., токсичних продуктів горіння і диму; зниженою концентрацією кисню; пошкодженням будівель, споруд і установок; виникненням вибухів. Все це відноситься до небезпечних і шкідливих чинників, що впливають на людей [1].
Забезпечення пожежної безпеки промислових об'єктів, у тому числі і вугільних шахт, відповідно до законодавства України про охорону праці, є невід'ємленною частиною державної діяльності. Зниження видобутку вугілля не приводить, згідно статистичних даних, до зменшення кількості екзогенних пожеж. В Україні щорік відбувається від 50 до 80 підземних пожеж екзогенного походження, з них 36,7% від струмів короткого замикання в кабельних мережах, які наносять економічні збитки вугільним підприємствам в розмірі від 18,35 до 29,36 млн. грн. у рік.
Аналіз статистичних даних про випадки пожеж у вугільних шахтах України за період з 1992-2002г. показав, що екзогенні пожежі мають стійку тенденцію зростання, а кількість людських жертв безперервно зростає, що складає 4 людини в рік на 1млн.тонн вугілля. Більшість екзогенних підземних пожеж на шахтах відбуваються в результаті пошкодження електроустаткування і кабелів, при цьому найбільш небезпечними в пожежному відношенні, по відношенню до іншого електроустаткування, є шахтні кабельні мережі. Тому завдання, пов'язане з прогнозуванням можливості займання шахтних кабельних мереж від струмів короткого замикання і захисного виключення, при яких забезпечується рівень пожежної безпеки, яка нормується, є дуже актуальним і її рішення збігається з інтересами економіки України [1].
У мережах 6 кВ найбільш небезпечні з точки зору ініціації пожеж є дугові однофазні замикання на землю (ОЗЗ) в кабелях. Пожежна небезпека кабелів характеризується наступними властивостями їх ізоляції:
а) здатністю займання і горіння за наявності джерела тепла, що підводиться з місця пошкодження (горючість кабелю);
б) здатність підтримувати самостійне горіння після припинення дії зовнішнього джерела тепла (здатність поширювати горіння).
Прогорання зовнішньої броні кабелю при дугових ОЗЗ представляють серйозну небезпеку з точки зору займання предметів, розташованих поблизу кабелю, під впливом іскор, що є розжареними частками металу і ізоляції, що горить [2].
Мета роботи
Теоретичне узагальнення і розробка методу оцінки пожежної безпеки підземної системи електропостачання 6 кВ вугільної шахти для запобігання займання кабельних мереж в шахтах.
Ідея роботи
Представити вірогідність займання кабелю від однофазних струмів замикання на землю як випадковий процес збігу у просторі та часі ряду випадкових чинників (частоти появи дугового ОЗЗ, наявність горючого матеріалу в місці прокладки кабелю, надійності засобів захисту і термінів їх профілактики).
Для досягнення поставленої мети визначені наступні завдання дослідження:
- провести статистичний аналіз інтервалів часу між суміжними пожежами в шахтних кабельних мережах від дугового ОЗЗ, на підставі якого обґрунтувати можливість вживання теорії марківських процесів для оцінки причин займання кабелю;
- встановити залежність струму в місці пошкодження (струму витоку) від величини опору в місці пошкодження при різній довжині живлячого кабелю для статичного і динамічного режимів;
- визначити залежності вірогідності виникнення пожежі від частоти що випадково з'явився в кабелі 6 кВ дугового ОЗЗ, наявність горючого матеріалу в місці прокладки кабелю, надійності захисту витоку струму на землю і термінів її профілактики.
Об'єкт дослідження - відособлена система електропостачання 6 кВ ділянки вугільної шахти.
Предмет дослідження - чинники (дугове ОЗЗ, наявність горючого матеріалу в місці прокладки кабелю, апаратура захисту, від втечі струму на землю і терміни їх профілактики), які впливають на причину займання шахтних кабельних мереж при їх експлуатації.
Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети в роботі використовувалися аналітичні методи і методи, які засновані на експериментальних дослідженнях, які базуються на основних поняттях теорії вірогідності і надійності.
Перший розділ роботи присвячений дослідженню залежності струму в місці пошкодження від величини опору і різної довжини живлячого кабелю.
Постановка завдання – шляхом математичного моделювання ділянки мережі напругою 6 кВ з ізольованою нейтраллю встановити залежність струму разом пошкодження при різній довжині живлячого кабелю. Дослідження виконати для статичного і динамічного режимів.
Еквівалентна схема досліджуваної ділянки приведена на малюнку 1.1 На схемі позначено : R, З – опір ізоляції і ємкості кабелю по відношенню до землі; Iп, Rп – струм і опір в місць пошкодження.
Допущення:
Частини мережі, відокремлені від досліджуваної ділянки трансформаторами, не роблять впливу на досліджуваний струм витоку.
Опір в місці пошкодження є чисто активним.
Ємкість фаз досліджуваної мережі пропорційна довжині кабелю (не враховується ємкість приєднань).
Рисунок 1.1 - Схема досліджуваної ділянки мережі (Gif-анімація виконана в Easy GIF Animator; об'єм –19,1 кБ; розмір – 467 x 267 пкс; кількість кадрів – 6; затримка між кадрами – 50 мс; затримка між останнім і першим кадром – 60 мс; количество циклів повторень - 5)
Деякі особливості отриманих результатів:
У сталому режимі струм витоку пропорційний довжині кабелю (або ємкості досліджуваного кола).
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).
У інтервалі значень опору в місці пошкодження 0 < Rп < 500 Ом струм витоку змінюється трохи (мережа по відношенню до опору пошкодження поводиться як джерело струму).
Представляє інтерес перехідний процес при Rп< 100 Ом.
У міру зниження Rп динамічна складова струму витоку може досягти десятків і сотень ампер. Проте тривалість цього імпульсу складає мікросекунди. Небезпеку цієї складової краще оцінювати кількістю енергії, що витрачається в опорі Rп.
Аналіз показав, що при зміні Rп в межах: 20 < Rп < 200 Ом, постійна часу перехідного процесу міняється відповідно в межах: 22,5 < тау < 225 мкс.
А енергія імпульсу відповідно: 13,47> W >13,47 Дж.
Таким чином, для вказаної межі зміни Rп енергія імпульсу практично постійна [1].
У другому розділі описується оцінка пожежної безпекиі ділянки вугільної шахти.
Існують нормативні документи, що регламентують вірогідність пожежі на технологічних об'єктах. Вірогідність виникнення пожеж в електротехнічному і другом одиничному виробі не повинна перевищувати величини 1*10-6 протягом року.
Фахівці різних країн приймають інтенсивність появи аварій (катастроф) Н = 1*10-6 1/год як той рівень риски, до якої слід прагнути на промислових підприємствах. Пояснюється це тим, що частота аварій (катастроф) на конкретному промисловому об'єкті рівна 1*10-6 настільки мала, що ради вигоди, що отримується від експлуатації об'єкту, суспільство (люди) готові піти на такий ризик. Фізичний сенс цієї величини можна пояснити таким чином. Якщо під спостереженням протягом часу Т = 1 рік знаходитиметься N = 1000000 однотипних технологічних об'єктів, то статистично допускається одна аварія (катастрофа) n = 1 протягом року на одному з цих об'єктів, тобто
Вірогідність появи аварій (катастроф) протягом часу t може бути визначена таким чином:
 .
В тому випадку, якщо H*t < 0,1,
то  , при t = 1 рік,  [3].
Статистичний аналіз даних про аварії, подіям за останніх 5 років в різних галузях промисловості України і Росії, показав, що міра риски появи аварій (катастроф) дорівнює  1/рік, тобто на 3 порядки більше нормованої величини.
Пожежу на ділянці з відособленим живленням називатимемо катастрофою, яка настає при випадковому збігу в просторі трьох випадкових подій, що мають різну частоту появи і тривалість існування[4].
Передбачимо, що катастрофа на ділянці вугільної шахти настає при збігу у просторі та часі наступних подій: появи горючого матеріалу (пожежанебезбечний пил, дерев'яна креп і так далі); пошкодження кабельної лінії (дугове однофазне замикання на землю); відмови в спрацьовуванні автоматичного захисного відключення (АЗО-6).
Наявність горючого матеріалу на трасі прокладки кабелю виявляється лише в результаті профілактичних оглядів і фіксується за допомогою приладів епізодичної дії або візуально (горючий матеріал). Результати оглядів і виявлених порушень заносяться в спеціальний журнал обліку.
При виникненні витоку струму на землю (захист АЗО знаходиться в стані, що відмовив) з часом вона перетворюється на дугове замикання на землю [5].
Рисунок 2.1 - Схема відособленого електропостачання 6 кВ ділянки вугільної шахти
1-кабельна лінія між розділовим трансформатором і дільничною пересувною підстанцією (УПП); 2-апарат захисту від витоків струму на землю (АЗО); 3- Захисний комутаційний апарат (КРУ-6); 4- Розділовий трансформатор.
Пристрій АЗО реагує на струми витоку і може виходити з буд лише тоді, коли воно знаходиться в режимі чекання. Якщо до моменту виникнення в мережі пошкодження, на яке повинно реагувати АЗО воно знаходилося в справному стані, то маловірогідне, щоб захист вийшов з буд, знаходячись в режимі тривоги. Після відмови АЗО в спрацьовуванні захисного комутаційного апарату при появі ОЗ в зоні дії АЗО), його стан, що відмовив, виявляється лише в результаті профілактичних перевірок. Перевірки працездатності АЗО вважаються абсолютно надійними і відбуваються через постійний інтервал часу  .
Стан середовища, що оточує кабельну лінію 1 рис.2.1 представимо у вигляді марківського процесу 
,котрий може набувати два значення: «0»- середовище поблизу кабельної лінії безпечне; «1»- середовище поблизу кабельної лінії небезпечне. Позначимо частоту переходів середовища з безпечного стану в небезпечне через  , а з небезпечного в безпечне  .
Стан кабельної лінії можна характеризувати випадковою величиною функцією  : «0»- в кабелі немає пошкоджень, тобто відсутній струм витоку на землю; «1»- в мережі з'явився струм витоку на землю. Параметри процесу позначимо через  и  .
Стан АЗО характеризуватимемо за допомогою функції  . В тому випадку, якщо  у системі захисту пошкоджень немає. В тому випадку, якщо  у системі сталася відмова АЗО. Позначимо параметри процесу через  .
Катастрофа в системі може статися при випадковій зустрічі процесів у стані 1, тобто коли  [3].
Завдання полягає в тому, щоб знаючи параметри процесів  визначити середній час до першої катастрофи  ,дисперсію цього часу  і вірогідність настання катастрофи протягом часу Q(t), якщо в початковий момент часу всі елементи системи знаходилися в беспечному стані.
Пожежа може статися при збігу у просторі та часі наступних випадкових подій: появи горючого матеріалу (пожароопасная пил, дерев'яна крепь і так далі); пошкодження кабельної лінії (дугове однофазне замикання на землю); відмови в спрацьовуванні автоматичного захисного відключення (АЗО-6).
Вірогідність пожеж Q(t) на ділянці мережі протягом часу t дорівнює вірогідності P8(t) випадкового знаходження всіх незалежних елементів системи «захист – ОЗЗ – горючий матеріал» в небезпечному стані, тобто в досліджуваній системі спостерігається у момент часу t: ОЗЗ; відмова в спрацьовуванні відповідних засобів захисту; наявність горючого матеріалу поблизу кабельної лінії. Вірогідність P8(t) можна знайти, користуючись системою лінійних диференціальних рівнянь [7]
Дана система рівнянь вирішується за початкових умов:
P1(0) = 1,
P2(0) = P3(0) = P4(0) = P5(0) = P6(0) = P7(0) = P8(0) = 0,
які витікають із зроблених припущень про те, що в початковий момент часу в мережі не спостерігається пошкоджень, що приводять до ОЗЗ; АЗО знаходиться в справному стані; вблизи кабелю відсутній горючий матеріал
Рішення системи лінійних диференційних рівнянь будемо шукати у вигляді:
Р(t) = Р(0)ехр(At),
где Р(0) = (1,0,…,0) – вектор, що містить початкові умови;
P(t) = [P1(t)]8i=1 -вектор.
 .
где  ,
 ,  .
Здесь 
- середній інтервал часу між появами небезпечного середовища в місці прокладки кабелю і середня тривалість знаходження середовища в небезпечному стані відповідно
;  - середній інтервал часу між появами витоку струму на землю в кабелі і середня тривалість спрацьовування АЗО;
 - середній інтервал часу між відмовами АЗО і середній час знаходження його в невиявленому стані, що відмовив.
Среднее время до первого пожара знаходимо з системи рівнянь:
 .
У тих випадках, коли , 
тоді з наведеної вище системи знаходимо - середній час до першої пожежі, якщо в початковий момент часу всі елементи системи перебували в безпечному стані [8].
 .
У практичних випадках майже завжди дотримуються наступних співвідношеннь: d2 >> d1 и d3 >> d1,
тоді формулу для знаходження можна представити у вигляді:
 .
Якщо відомий інтервал часу між перевірками наявності горючої суміші поблизу прокладки кабелю, і інтервал часу  між перевірками працездатності системи відключення захисних комутаційних апаратів, тоді  і
 можна знайти з наступної формули:
 [9].
При виконанні умов  ,
 з наведеної вище формули знаходимо:
 ,
 .
Підставляючи формули , и
в формулу знаходим:
 ,
Дісперсія часу до першої пожежі  -фундаментальна матриця [10].
В том случае, если  , вірогідність пожежі на ділянці мережі можна визначити таким чином:
 .
Висновок
У результаті досліджень в даній роботі була розроблена математична модель та запропонована методика, що дозволяють прогнозувати імовірність появи можливих пожеж на ділянці мережі шахти електропостачанням 6 кВ, розробляти організаційні та технічні заходи, що дозволяють забезпечувати норміруємий ГОСТ 12.1.004-91 рівень пожежної безпеки. Для цього була використана програма обліку, аналізу та обробки експериментальних даних, розроблена на кафедрі "Електропостачання підприємств і міст".
Література
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
Примітка:
на даний час магістерська робота на тему: "Оцінка пожежобезпеки підземної системи електропостачання 6 кВ вугільної шахти" знаходиться в стадії розробки. Детальну інформацію можна отримати у автора.
|
