Исследование и разработка средств предварительного контроля изоляции высоковольтных кабельных линий горных предприятий

Актуальность работы.

Современные разрезы оснащаются высокопроизводительными электрифицированными горными машинами и механизмами большой единичной мощности, обеспечивающими высокую производительность труда. Эти предприятия являются крупными потребителями электрической энергии, где одновременно работает электрооборудование на напряжение 0,38- 6- 10- 35кВ. Мощность электрооборудования, установленного на современном экскаваторе достигает 20 МВт и более, что сопоставимо с мощностью крупного промышленного предприятия. Большая площадь разработок и децентрализация рабочих мест требуют создания весьма сложных распределительных сетей передачи электрической энергии для питания горных машин.

Задача бесперебойного и надежного электроснабжения электроприемников разрезов во многом зависит от состояния эксплуатируемого электрооборудования, интенсивности повреждений электроустановок и сетей. Создание рациональных и надежных схем электроснабжения представляет собой сложную задачу, решение которой требует учета специфических особенностей технологии горного производства.

Эксплуатационная надежность электрооборудования, работающего на открытых горных разработках, зависит от большого числа факторов, главные из которых — погодно-климатические условия окружающей среды и условия эксплуатации. Погодно-климатические условия окружающей среды характеризуются температурой и влажностью воздуха, барометрическим давлением, уровнем атмосферных осадков, солнечной радиацией, грозовой активностью, загазованностью и запыленностью атмосферы, электрохимическими и горногеологическими процессами. Условия эксплуатации определяются режимом работы, уровнем вибрации и ударных нагрузок, переходными процессами в электрических сетях, особенностями эксплуатации. На систему электроснабжения также оказывают влияние способ вскрытия месторождения, принятая система разработки, число и глубина рабочих горизонтов, условия экскавации и транспортирования горной массы, типы и режимы работы машин и установок, порядок ведения взрывных работ, организация работ и т. д.

Большая часть электроустановок эксплуатируется на открытом воздухе, в условиях непрерывного или периодического передвижения машин и механизмов из-за перемещения фронта горных работ. Это предъявляет повышенные требования к надежности линий электропередачи и электрооборудования, безопасности при их обслуживании. Частые перемещения гибких кабелей, питающих передвижные горные машины, приводит к механическим деформациям и повреждениям, активизируют старение изоляции, что представляет опасность для обслуживающего персонала, работающего с кабелем, электрооборудованием, металлическими конструкциями, приводит к возникновению аварийных ситуаций (короткие межфазные замыкания, замыкания на землю и т. д.).

Пробои (перекрытия) и механические повреждения изоляции в карьерных распределительных сетях (КРС) усиливают поток однофазных замыканий через землю (033), которые составляют 70 — 90% от всех видов повреждений в электрических сетях карьеров и является преобладающим видом повреждений. По статистическим данным, более 75% 033 происходит в ответвлении «приключа-тельный пункт — гибкий кабель — сетевое электрооборудование экскаватора» [56].

Повышенная аварийность электрооборудования приводит к образованию источников опасности поражения электрическим током обслуживающего персонала. На долю электроустановок напряжением 6кВ приходится значительная часть электротравм с тяжелым и смертельным исходом. При этом более 80% электротравм связано с непосредственным прикосновением человека к токове-дущим частям и 3 — 10% - с прикосновением к корпусам электрооборудования в момент существования 033 [74]. Количество электротравм в электроустановках напряжением 6кВ находится в прямой зависимости от частоты повреждаемости электрооборудования. Вероятность поражения электрическим током при ликвидации аварий и неисправностей в электроустановках угольных разрезов более чем в 2 раза превышает вероятность поражения при плановых ремонтах и обслуживании электроустановок [56,59,74,75].

Как показывает анализ эксплуатационных данных аварийности карьерных сетей, на долю замыканий на землю приходится до 80% всех повреждений [59,71]. Для угольных разрезов регионов Сибири и Урала значения относительной частоты однофазных замыканий на землю составляют: Кузбасс — 65%, Урал — 70%, Восточная Сибирь — 80% [77].

Наиболее повреждаемым элементом в системе электроснабжения разрезов является гибкий экскаваторный кабель, на долю которого приходится более половины всех замыканий на землю. Надежность и долговечность гибких кабелей определяются, в основном, весьма тяжелыми условиями эксплуатации и неблагоприятными факторами окружающей среды.

В соответствии с требованием Инструкции по безопасной эксплуатации и обслуживанию электрооборудования и электросетей на карьерах [83] разрешается применение однократного автоматического повторного включения (ОАПВ), если сопротивлении изоляции контролируемого присоединения не ниже допустимого уровня. Это значит, что ячейка распределительного устройства, оборудованная ОАПВ, должна быть оснащена устройством предварительного контроля изоляции.

Предварительный контроль изоляции линий электропередачи 6−10кВ распределительных сетей разрезов прямо не оказывает большого влияния на повышение производительности труда и другие производственные показатели. Устройства, обеспечивающие такой контроль, в большей степени относятся к средствам обеспечения безопасности условий эксплуатации, как с точки зрения достижения безаварийной работы технологического оборудования и системы электроснабжения предприятия в целом, так и по условиям снижения электротравматизма обслуживающего и ремонтного персонала. Устройства предварительного контроля изоляции в высоковольтных распределительных сетях разрезов должны выявлять устойчивые повреждения изоляции, обеспечивая при этом безопасность человека. Эти устройства должны установить факт прикосновения человека к токоведущим частям и блокировать включение силового выключателя, либо создать условия, при которых человек сам выйдет из опасной зоны.

Целью работы является разработка блокировочного устройства контроля изоляции, предотвращающего подачу рабочего напряжения на человека, прикоснувшегося к токоведущим частям, или на устойчивое повреждение изоляции отходящего присоединения (гибкого экскаваторного кабеля).

Задачи исследований. Исходя из поставленной цели и анализа состояния вопроса, необходимо:

— выбрать метод контроля диэлектрических параметров изоляции высоковольтных кабелей, учитывая физические процессы, происходящие в реальных высоковольтных распределительных сетях, в частности, воздействие на изоляцию перенапряжений различного происхождения;

— определить параметры испытательного воздействия, способного эффективно выявлять опасные повреждения изоляции высоковольтных кабелей, оценить влияние испытательного воздействия на неповрежденную часть изоляции;

— на основе современных представлений о механизме действия электрического тока на человека и существующих критериев электробезопасности, определить параметры испытательного воздействия, обеспечивающие безопасность обслуживающего персонала в процессе контроля изоляции;

— разработать математическую модель, на основе которой определить параметры элементов блокировочного устройства контроля изоляции, обеспечивающих расчетные характеристики испытательного напряжения.

На защиту выносятся:

— импульсный метод контроля изоляции гибкого высоковольтного кабеля, обеспечивающий нормируемые критерии электробезопасности в процессе проведения испытания и выявление опасных повреждений высоковольтной изоляции;

— разработанное блокировочное реле импульсного контроля изоляции гибкого кабеля для экскаваторных приключательных пунктов.

Научная новизна работы:

— определены параметры испытательного напряжения, обеспечивающие безопасность обслуживающего персонала и выявление опасных повреждений изоляции высоковольтных кабельных линий;

— установлено, что в случае пробоя изоляции кабеля, если активное сопротивление в цепи искрового канала меньше 200−3000м, потеря заряда будет больше 10% первоначального заряда накопительной емкости генератора импульсного напряжения (ГИН), независимо от длины кабельной линии, следовательно, относительную величину потери заряда можно принять в качестве параметра, характеризующего наличие электрического пробоя изоляции.

— разработана математическая модель, на основе которой определены параметры испытательного напряжения блокировочного устройства контроля изоляции, обеспечивающие нормируемые критерии электробезопасности.

Личный вклад автора:

— определены параметры испытательного напряжения блокировочного устройства контроля высоковольтной изоляции, обеспечивающие безопасность обслуживающего персонала и выявление опасных повреждений высоковольтного кабеля;

— разработана математическая модель цепи 'ТИН — кабельная линия" ;

— установлено, что в случае пробоя изоляции кабеля, если активное сопротивление в цепи искрового канала меньше 200−3ОООм, потеря заряда будет больше 10% первоначального заряда накопительной емкости ГИН, независимо от длины кабельной линии, следовательно, относительную величину потери заряда можно принять в качестве параметра, характеризующего наличие электрического пробоя изоляции.

— разработан алгоритм работы блокировочного реле импульсного контроля изоляции для экскаваторных приключательных пунктов;

— разработано и изготовлено блокировочное реле импульсного контроля изоляции гибких высоковольтных кабелей.

Достоверность научных выводов и рекомендаций, сформулированных в работе, обосновывается и подтверждается:

— совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований (в пределах 5−10%);

— использованием в исследованиях последних достижений в области электробезопасности, современных представлений о механизме воздействия электрического тока на человека, исследований в области электротехники, физики, математики, математического моделирования, вычислительной техники, апробированных методов теории вероятности и математической статистики, планирования экспериментов.

Практическая ценность работы заключается в том, что:

— разработано Техническое задание на блокировочное реле импульсного контроля изоляции высоковольтных (6 кВ) кабельных линий (БРИК — 6).

— разработан и изготовлен опытный образец БРИК — 6.

— результаты теоретических и лабораторных исследований используются в учебном процессе;

— проведенные исследования используются в НИР № И-3.22 «Разработка и изготовление устройства опережающего контроля изоляции в высоковольтных сетях горных предприятий», выполняемой в рамках целевой программы «Неотложные меры по улучшению условий и охраны труда в Кемеровской области» .

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на заседании электромеханической секции Ученого совета ВостНИИ (1986 г.) —, ОАО «Раз.

10 рез Кедровский" (1999г.) — на научном семинаре кафедры Электроснабжение горных и промышленных предприятий КузГТУ (1987 г., 1999 г.) — на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и преподавателей КузГТУ (1990; 1999).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 4 научных статьях, в том числе имеется одно авторское свидетельство на изобретение.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения, изложена на 179 страницах машинописного текста, иллюстрирована 41 рисунком, содержит 5 таблиц, список использованной литературы из 87 наименований.

4.5. Выводы.

1. Разработана математическая модель цепи «ГИН — кабельная линияизоляция — человек», которая позволяет рассчитать параметры элементы схемы устройства, обеспечивающие необходимые характеристики зондирующих импульсов в зависимости от изменения нагрузки (длины кабельной линии, марки кабеля и т. д.).

2. Выполнен расчет основных элементов схемы ГИН (импульсного трансформатора, силового тиристора, величины накопительной емкости и т. д.).

3. Экспериментально подтверждено, что разработанную математическую модель можно использовать для оптимизации параметров элементов схемы ГИН, обеспечивающих достижение требуемых характеристик импульсного зондирующего напряжения.

4. Проведены лабораторные исследования устройства на стенде, которые подтвердили теоретические и инженерные решения. Осциллограммы токов и напряжений в ключевых узлах схемы качественно и количественно соответствуют расчетным значениям, полученным на математической модели.

Заключение

.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования показывают, что решение вопросов безопасного контроля диэлектрических параметров изоляции высоковольтных распределительных сетей горных предприятий имеет важное социальное и народнохозяйственное значение.

Результаты выполненной работы дают основания сделать следующие выводы:

1. На основе анализа состояния изоляции и уровня электротравматизма в электрических распределительных сетях угольных предприятий, анализа методов контроля диэлектрических параметров изоляции разработан метод контроля изоляции кабельных высоковольтных линий электропередачи, обеспечивающий эффективное выявление опасных повреждений изоляции отходящего присоединения, при соблюдении нормируемых критериев электробезопасности. В качестве контролирующего воздействия выбран метод контроля изоляции импульсным повышенным напряжением.

2. Произведена оценка воздействия электрического тока на человека, диэлектрических параметров типичных повреждений изоляции в высоковольтных кабельных линиях в условиях открытых горных работ, параметров перенапряжений, действующих в распределительных электрических сетях, определены параметры испытательного напряжения для кабельных линий электропередачи 6кВ. Установлено, что для выявления опасных повреждений изоляции высоковольтных кабельных линий электропередачи и обеспечения требуемого уровня безопасности человека в процессе проведения испытания, необходимо подавать в кабельную линию серию нарастающих по амплитуде от 1,5 до 12 кВ импульсов напряжения, длительностью менее 60 мкс.

3. Установлено, что при пробое изоляции кабеля, если активное сопротивление в цепи искрового канала меньше 200−3000м, потеря заряда всегда больше 10% первоначального заряда накопительной емкости С/ ГИН независимо от длины кабельной линии. Исходя из сказанного, можно принять относительную величину потери заряда в качестве параметра, характеризующего наличие электрического пробоя изоляции.

4. Разработан алгоритм работы блокировочного реле импульсного контроля изоляции кабельных линий электропередачи 6 кВ. Алгоритмом предусматривается работа устройства в двух режимах: автоматическом (совместно со схемами управления силовым выключателем, устройствами защиты и АПВ) и ручном (отладочном).

5. Разработана математическая модель цепи «ГИН — кабельная линиячеловек», которая использована для расчетов оптимальных параметров основных элементов схемы ГИН, обеспечивающих заданную амплитуду и длительность зондирующих импульсов. Разработана программа расчета модели цепи с использованием универсальной системы математических расчетов MathCAD7.0 PRO.

6. Разработано и изготовлено блокировочное реле импульсного контроля изоляции высоковольтных кабельных ЛЭП-бкВ для экскаваторных приключа-тельных пунктов. Проведены лабораторные испытания реле, которые показали положительные результаты.

7. Результаты теоретических и экспериментальных исследований используются при выполнении научно исследовательской работы по целевой региональной программе «Неотложные меры по улучшению условий и охране труда в Кемеровской области» по работе № И-3.22 (1997;2000гг.), «Разработка и изготовление устройства опережающего контроля изоляции в высоковольтных сетях горных предприятий» .