Автор: Карницкий В. Ю., Болгов А. С.
Источник: Известия Тульского государственного университета. Технические науки
Карницкий В. Ю., Болгов А. С. Проблематика эксплуатации подземных электроустановок и сетей и причины возникновения коротких замыканий Рассмотрены вопросы, касающиеся причин возникновения коротких замыканий, а также способов их устранения.
Применение электроэнергии в тоннелях сопряжено с рядом опасностей: поражением обслуживающего персонала электротоком, пожарами, взрывами метана открытыми дугами, искрами и токами утечек. Поэтому важное значение имеет разработка различных мероприятий и средств обеспечения безопасности [1]. Специфическая особенность подземных выработок – возможность образования в рудничной атмосфере взрывоопасной концентрации метана или смеси воздуха с некоторым количеством взрывчатой пыли – определяет условия эксплуатации электрооборудования и кабелей в них, как существенно отличающиеся от условий на промышленных предприятиях [1, 2]. Ограниченность пространства в горных выработках участка при недостаточной освещенности значительно усложняет монтаж, обслуживание и профилактический ремонт электрооборудования. Из-за несвоевременного устранения возникших неисправностей в электрооборудовании, а также в результате ошибочных действий обслуживающего персонала в электрооборудовании возникают короткие замыкания (КЗ) [2, 3]. Подземное электрооборудование в значительной степени подвергается влиянию влажной атмосферы и угольной пыли. Электрические параметры изоляции электрооборудования и кабельных сетей при наличии влаги, имеющей большую диэлектрическую проницаемость, изменяется во времени. Влага вызывает коррозию металлических частей и снижает электрическую проницаемость изоляции. В автоматических выключателях, пускателях при горении дуги образуются окислы азота, которые в присутствии влаги превращаются в азотистую кислоту, являющуюся сильным окислителем и быстро ухудшающую качество изоляции. В электроприводах машин и механизмов разрушающее действие на обмотку изоляции оказывает масло, проникающее из-за износа или некачественного выполнения защитных уплотнений масляных ванн. В условиях эксплуатации пыль и влага оседают на поверхности электроизоляционных деталей электрооборудования, благодаря чему появляются токи утечки, которые при определенных условиях перерастают в токи КЗ. При периодическом нагреве и охлаждении электрооборудования может образоваться роса, которая также создает условия для возникновения КЗ [3, 4].
Основной причиной возникновения КЗ в подземных выработках является механическое повреждение электрооборудования. Подземная электрическая аппаратура и электродвигатели имеют механически прочные оболочки, защищающие их активную часть от внешних механических воздействий. В то же время в подземных выработках эксплуатируются тысячи километров бронированных и гибких кабелей, оболочки которых имеют недостаточную механическую прочность. При этом наибольшую аварийность имеют гибкие кабели, прокладываемые непосредственно в забоях [2, 3]. Подземное электрооборудование и кабели подвергаются значительным механическим воздействиям при обрушении породы, при буровзрывных работах и перемещениях нестационарного электрооборудования. При повреждениях кабелей, кроме однофазных утечек, возможно появление междуфазных утечек, перерастающих во многих случаях в токи КЗ. КЗ может возникнуть непосредственно в результате повреждения кабеля, обрушившейся породы, а также перемещением забойного оборудования или транспортного средства [2, 3]. Механические же повреждения электрооборудования и кабелей в подземных условиях при наличии электрической энергии опасны возникновением взрывов и пожаров [1, 2]. Как и в общепромышленных установках, КЗ в участковых сетях вызывают разрушение электрооборудования.
Надежность работы подземных электрических установок должна обеспечиваться правильным их выбором, монтажом и эксплуатацией. При этом необходимо оценивать и учитывать опасные последствия, связанные с возникновением КЗ: трехфазное, двухфазное, металлическое в сети отключенной нагрузкой, двухфазное через переходное сопротивление в сети с отключенной нагрузкой; двухфазное металлическое с присоединенной нагрузкой; двухфазное через переходное сопротивление в сети с присоединенной нагрузкой.
В общем случае возникающие при КЗ аварийные токи зависят от параметров генерирующих источников питания, конфигурации электрической сети и параметров, входящих в нее элементов, вида КЗ и сопротивления короткозамкнутой цепи, фазы э.д.с. в момент возникновения КЗ, наличия или отсутствия присоединенной нагрузки.
При возникновении КЗ общее электрическое сопротивление цепи системы подземного электроснабжения уменьшается, что вызывает увеличение токов в сети. При этом с момента возникновения КЗ до момента отключения поврежденного участка в сети существует переходный процесс [3, 4]. Для обеспечения высокого уровня надежности и безопасности подземных электроустановок необходимы совершенные средства защиты. Схемы и конструкции защитной аппаратуры должны выполняться с учетом условий эксплуатации, особенностей подземных электрических сетей, режимов работы электрооборудования. Одна из задач МТЗ заключается в том, чтобы предотвратить опасное действие токов КЗ, протекающих через неповрежденные элементы подземных электрических установок. Для повышения безопасности эксплуатации подземных электрических сетей необходимо дальнейшее совершенствование их защит от малых токов КЗ.
Появление в подземных условиях тоннелей неотключаемого КЗ, сопровождающегося значительным перегревом кабелей и электрооборудования, открытыми дугами, может привести к возникновению пожара, повреждению кабельной сети, электрооборудования. В связи с этим актуальна задача создания защиты, способной выявлять аварийные режимы в сетях с переменными параметрами с достаточной надежностью и быстродействием. Следовательно, актуально совершенствование МТЗ для использования их в схемах электропривода с ТРН. Специфика применяемых устройств максимальной токовой защиты, разработанных для низковольтного рудничного электрооборудования, состоит в реализации принципа токовой отсечки, поэтому практический интерес представляет выяснение совместимости параметров МТЗ рудничного электрооборудования и электрических сетей с тиристорными регуляторами напряжения при коротких замыканиях.
Современный уровень развития электрооборудования предполагает широкое применение преобразовательной техники. Один из приемлемых способов повышения плавности пуска асинхронного электропривода основан на применении тиристорных регуляторов напряжения (ТРН). Под которым понимается устройство, состоящее из тиристорных коммутирующих элементов и связывающих их силовых цепей (силовая схема), а также цепей управления ими, включающих систему импульсно-фазового управления(СИФУ) тиристорами, различные блоки логики и защиты. Простота, дешевизна и надежность создают предпосылки их использования в составе регулируемого электропривода горных машин. Специфика применяемых МТЗ, разработанных УкрНИИВЭ для низковольтного рудничного электрооборудования, состоит в реализации принципа токовой отсечки, поэтому практический интерес представляет выяснение совместимости параметров МТЗ рудничного электрооборудования и электрических сетей с ТРН при КЗ. В настоящее время в связи с использованием силовых тиристорных коммутаторов (СТК) возможны ситуации при определенных углах отпирания тиристоров, когда ток КЗ будет ниже уставки срабатывания защиты. При работе СТК КЗ может произойти при углах отпирания СТК от 0 до 120о, при углах больше 120о и возникновении КЗ отсутствует ток в других фазах и, следовательно, не будет аварии, но появиться предаварийная ситуация, которая при уменьшении углов отпирания СТК перерастет в аварийную.
В ходе проведенной работы был произведен обзор способов и устройств МТЗ, был проведен их анализ на предмет пригодности их работы в условиях применения в сети СТК. Были выявлены зоны несрабатывания серийно выпускаемых защит и обоснована актуальность создания МТЗ с автоматической корректировкой уставки срабатывания. Разработана функциональная схема МТЗ с включением ее в состав функциональной схемы замкнутой системы регулирования скорости. По функциональной схеме была разработана принципиальная схема МТЗ с автоматической корректировкой уставки срабатывания. Благодаря разработанному устройству МТЗ с автоматической корректировкой уставки срабатывания исключается возможность появления в подземных условиях неотключаемых малых токов КЗ. Следовательно, уменьшается перегрев кабелей и электрооборудования, сокращается вероятность возникновения открытых дуг и, как следствие, сокращается вероятность пожаров, взрывов, повреждений кабельной сети и электрооборудования в тоннеле.
1. Маренич К.Н. Асинхронный электропривод горных машин с тиристорными коммутаторами. Донецк: ДонГТУ, 1997. 64 с.
2. Фролкин В.Г. Быстродействующая защита шахтных участковых сетей. М.: Недра, 1986. 125 с.
3. Риман Я.С. Защита шахтных участковых сетей от токов короткого замыкания. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Недра, 1985. 88 с.
4. Риман Я.С. Защита шахтных участковых сетей от токов короткого замыкания 1-е изд. М.: Недра, 1972. 102 с.