Обґрунтування заходів запобігання вибухам при експлуатації гнучких силових кабелів на вугільних шахтах

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ МАКІЇВСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ З БЕЗПЕКИ РОБІТ У ГІРНИЧІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ (МакНДІ)

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ОБГРУНТУВАННЯ ЗАХОДІВ ЗАПОБІГАННЯ ВИБУХАМ ПРИ ЕКСПЛУАТАЦІЇ ГНУЧКИХ СИЛОВИХ КАБЕЛІВ НА ВУГІЛЬНИХ ШАХТАХ

Спеціальність 05.26.01 - Охорона праці

Демченко Олег Олександрович

Макіївка - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості (МакНДІ) Міністерства вугільної промисловості України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор, Коптиков Віктор Павлович, Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості Міністерства вугільної промисловості України, заступник директора з наукової роботи.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Колосюк Володимир Петрович, Донбаська національна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, професор кафедри «Електротехніка і автоматика »;

- кандидат технічних наук, доцент Маренич Костянтин Миколайович, ДВНЗ «Донецький національний технічний університет» Міністерства освіти і науки України, завідувач кафедри «Гірнича електротехніка і автоматика ім Р.М. Лейбова».

Захист відбудеться 29 квітня 2011 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.834.01 при Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості за адресою: 86108, м. Макіївка Донецької обл., вул. Лихачова, 60.

Автореферат розісланий 26 березня 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 12.834.01 д.т.н., с.н.с. Ю.В. Кудінов

АНОТАЦІЯ

Демченко О.А. Обґрунтування заходів запобігання вибухам при експлуатації гнучких силових кабелів на вугільних шахтах. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.26.01 «Охорона праці». Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості (МакНДІ), м. Макіївка, 2011.

Дисертацію присвячено встановленню залежностей механічних, теплових та електричних процесів, що забезпечують запобігання вибухам при експлуатації гнучких силових кабелів, а саме підвищенню безпеки праці на вугільних шахтах. Досліджено стійкість кабелю до дії чинників обумовлених умовами експлуатації і прокладки. Обґрунтовано методи оцінки стійкості кабелю до дії таких чинників.

Досліджено режим дугового к.з. Встановлено значення надлишкового тиску під оболонкою, розроблено та реалізовано у кабелі конструктивні рішення, що забезпечують вибухобезпеку їх експлуатації в такому режимі і які досягаються посиленою оболонкою, розщеплюванням силових жил і застосуванням у якості ізоляції ПВХ пластикату. Обґрунтовано метод оцінки стійкості оболонки кабелю до надлишкового тиску в режимі дугової к.з і визначено коефіцієнт запасу стійкості оболонки методом гідровипробувань.

Досліджено теплові режими роботи кабелю. Обґрунтовано тривало допустиме навантаження на кабель з розщепленими силовими жилами, яке визначає безпеку експлуатації кабелю у нормальному режимі роботи.

За результатами досліджень розроблено технічні вимоги до гнучкого силового кабелю КГЭШуС-ПБ, які увійшли до ТУ У 31.3.-31850229-005-2003 «Кабелі силові гнучкі екрановані на напругу 1140 В. Технічні умови».

Ключові слова: кабель, конструкція, вибухобезпека експлуатації, режим, струм, тиск, температура, параметри, дослідження.

АННОТАЦИЯ

Демченко О.А. Обоснование мер предотвращения взрывов при эксплуатации гибких силовых кабелей на угольных шахтах. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 «Охрана труда». Государственный Макеевский научно-исследовательский институт из безопасности работ в горной промышленности (МакНИИ), г. Макеевка, 2011 г.

Шахтные гибкие силовые экранированные кабели являются единственными не взрывозащищенными электротехническими изделиями в системе электроснабжения добычного участка. Каждое повреждение кабеля потенциально опасно в отношении взрыва. Из анализа техногенной взрывоопасности электричества следует, что с 1976 по 2008 год произошло 14 взрывов в шахтах по причине дугообразования в гибких силовых кабелях [1], что составляет 25,8% всех взрывов от силового электрооборудования и привело к гибели 178 человек. Известно, что суммарный экономический ущерб от каждого взрыва составляет более 10 млн. гривен. Срок эксплуатации кабеля в условиях добычного участка не превышает шести месяцев. Первые повреждения оболочки происходят уже в течение первых шести дней работы.

Безопасность эксплуатации шахтных гибких силовых кабелей обеспечивается электрическими защитами, которые в силу различных причин не всегда снимают напряжение с кабеля при его повреждении. А в некоторых случаях время срабатывание электрических защит является недостаточным для предотвращения воспламенения метановоздушной смеси. В настоящее время отсутствуют какие-либо зависимости определяющие безопасность эксплуатации кабеля, особенно в аварийном режиме работы.

Диссертация посвящена установлению зависимостей механических, тепловых и электрических процессов обеспечивающих предотвращение взрывов при эксплуатации гибких силовых кабелей, а тем самым повышению безопасности труда на угольных шахтах.

Предложена новая концепция обеспечения взрывобезопасности эксплуатации кабелей, состоящая в их способности самостоятельно предотвращать образование источника инициирования взрыва, что достигается прочностными характеристиками его конструктивных элементов, физико-химическими свойствами изоляционных материалов, а также конструктивными решениями.

Доказано, что кабель с расщепленными силовыми жилами и двойной оболочкой, усиленной медно-стальной оплеткой обладает повышенной стойкостью к разрушающим воздействиям, обусловленным условиями эксплуатации, в том числе, к механическим ударам и предложен метод оценки стойкости кабеля к удару бойком с величиной энергии 70 Дж.

Обоснованы длительно-допустимые токовые нагрузки на кабели с расщепленными силовыми жилами и показано, что тепловое сопротивление изоляции такого кабеля определяется формулой Симонса с увеличением геометрического фактора в 1,13 раза, что определяет соответствие длительно-допустимых токовых нагрузок теплофизическим и механическим характеристикам изоляционных материалов и позволяет предотвратить образование источника инициирования взрывоопасной среды в нормальном режиме работы кабеля.

Показано, что в случае возникновения электрической дуги под оболочкой кабеля температура нагрева ее поверхности является случайной величиной подчиненной нормальному закону, которая с доверительной вероятностью Р=0,99 не превысит +87⁰С.

Обосновано снижение в 1,3-1,8 раз значений токов к.з. за счет их перераспределения между поврежденной и неповрежденной жилами одной расщепленной фазы.

Показано, что при горении электрической дуги в кабеле с ПВХ изоляцией образуется газовая среда, которая на 66% насыщена водородом и подтверждено снижение времени горения электрической дуги до 30 мс в результате автоматической обдувки канала дуги водородом и процессов деионизации дугового промежутка.

Установлено, что в режиме дугового короткого замыкания значение избыточного давления под оболочкой кабеля подчинено нормальному закону и с доверительной вероятностью Р=0,95 не превышает 1,18 МПа.

Доказано, что избыточное давление которое с условной вероятностью Р=10-⁴ может выдержать кабель КГЭШуС - ПБ с поврежденной внешней оболочкой не превышает 2,0 МПа.

Разработан метод оценки стойкости оболочки кабелей к давлению, которое возникает при дуговом к.з. а также метод определения коэффициента запаса стойкости оболочки кабелей к избыточному давлению, основанные на гидравлических испытаниях и вероятностной оценке результатов исследований. Доказано, что коэффициент запаса стойкости оболочки кабеля КГЭШуС-ПБ к избыточному давлению в режиме дугового короткого замыкания составляет k_р =1,69.

По результатам исследований разработаны технические требования к гибкому силовому кабелю типа КГЭШуС-ПБ, которые вошли ТУ У 31.3.-31850229-005-2003 «Кабели силовые гибкие экранированные на напряжение 1140 В. Технические требования».

Ключевые слова: кабель, конструкция, взрывобезопасность эксплуатации, режим, ток, давление, температура, параметры, исследования.

ABSTRACT

Demchenko O. A. A validation of explosions prevention measures at operation of flexible power cables on miners. - Manuscript.

Thesis on Candidate of Engineering degree on the speciality 05.26.01 - «Labor protection». State Makeyevka Safety in Mines Research Institute. Makeyevka, 2011.

Dissertation is devoted establishment of thermal and electric process dependences which provide prevention of explosions during exploitation of flexible power cables, namely to the increase of labour safety on coal mines.

The stability of the cable to the influence of factors caused by operating conditions and gaskets is investigated. Methods for assessing resistance of the cable to the effects of such factors are substantiated. For the first time the arc short-circuit mode is explored. The significance of pressure shell is established, developed and implemented in a cable design solutions, providing explosion and fire safety of their operation in this mode and have achieved a strengthened hull, the splitting force lived and insulation, as PVC plastic. Valid methods of estimating the parameters of explosion and fire, which lie in the durability of the cable sheath to the overpressure in the arc mode k.z. and determining the resistance of shell stock by hydro.

The thermal modes cable has been investigated. Reasonable long - current load for the cable with split main veins.

According to studies developed technical requirements for a flexible power cable КГЭШуС-ПБ, which includes the ТУ У 31.3.-31850229-005-2003 «Flexible power cables are screened for voltage 1140 V. Technic conditions».

Key words: cable, construction, explosion and fire safety, mode, current, pressure, temperature, parameters, research.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Шахтні гнучкі силові екрановані кабелі є єдиними не вибухозахищеними електротехнічними виробами у системі електропостачання видобувної дільниці. Кожне пошкодження кабелю потенційно небезпечне щодо вибуху. З аналізу техногенної вибухонебезпеки електрики виходить, що з 1976 по 2008 рік сталося 14 вибухів у шахтах через виникнення дуги у гнучких силових кабелях [1], що складає 25,8% усіх вибухів від силового електрообладнання та призвело до загибелі 178 людей. Відомо, що сумарний економічний збиток від кожного вибуху становить більше 10 млн. гривень. Термін експлуатації кабелю в умовах видобувної дільниці не перевищує шести місяців. Перші пошкодження оболонки відбуваються вже протягом перших шести днів роботи.

Безпека експлуатації шахтних гнучких силових кабелів забезпечується електричними захистами, які з різних причин не завжди знімають напругу з кабелю у разі його пошкодження. А у деяких випадках час спрацювання електричних захистів є недостатнім для запобігання займанню метаноповітряної суміші. У даний час немає будь-яких залежностей, що визначають безпеку експлуатації кабелю, особливо в аварійному режимі роботи. У зв'язку з цим, встановлення залежностей механічних, теплових та електричних процесів, що забезпечують запобігання вибухам при експлуатації гнучких силових кабелів, є актуальним завданням та сприяє підвищенню безпеки праці на вугільних шахтах.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Дослідження за темою дисертації виконані відповідно до планової науково-дослідної роботи Державного Макіївського науково-дослідного інституту з безпеки робіт у гірничій промисловості № 1710202050 «Розробити гнучкі силові кабелі нового технічного рівня з параметрами вибухопожежобезпеки» (№ ДР 0102U007398) та відповідно до постанови Кабінету Міністрів України від 6 липня 2002 р. № 939 «Про затвердження Програми підвищення безпеки праці на вугільних шахтах». Під час виконання роботи автор був відповідальним виконавцем.

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є обґрунтування заходів запобігання вибухам у вугільних шахтах на основі розкриття впливу взаємопов'язаних електричних, механічних та теплових процесів на безпеку експлуатації гнучких силових кабелів у нормальному і аварійному режимах роботи.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні завдання:

- обґрунтувати вимоги до параметрів гнучких силових екранованих кабелів і заходи, що забезпечують вибухобезпеку їх експлуатації при механічних впливах;

- обґрунтувати вимоги до параметрів гнучких силових екранованих кабелів і заходи, що забезпечують вибухобезпеку їх експлуатації при теплових впливах;

- обґрунтувати захисні властивості конструкції та ізоляційних матеріалів шахтних гнучких силових екранованих кабелів у режимі дугового короткого замикання;

- розробити методи контролю параметрів гнучких силових екранованих кабелів, які забезпечують вибухобезпеку їх експлуатації.

Об'єктом дослідження є взаємопов'язані електричні, теплові і механічні процеси, які відбуваються в гнучкому силовому екранованому кабелі при його експлуатації в умовах шахт.

Предметом досліджень є параметри гнучких силових екранованих шахтних кабелів, що забезпечують вибухобезпеку їх експлуатації в нормальному і аварійному режимах роботи.

Методи досліджень. Для вирішення поставлених завдань використано: експериментальні методи - для досліджень параметрів аварійних режимів, параметрів гнучких силових кабелів, що забезпечують стійкість до циклічних, ударних і теплових впливів; методи математичної статистики - для досліджень критерію оцінки стійкості оболонки кабелю до тиску газів в режимі дугового короткого замикання; аналітичний метод - для досліджень теплових режимів роботи кабелів з розщепленою силовою жилою, а також для досліджень шунтувального впливу розщепленої жили кабелю на розвиток режиму дугового короткого замикання; метод альфа-калориметра - для досліджень теплофізичних характеристик ізоляційних матеріалів.

Наукова новизна одержаних результатів.

Наукове положення, яке виноситься на захист:

1. Вибухобезпека експлуатації гнучкого силового екранованого шахтного кабелю досягається запобіганням можливості утворення джерела ініціювання вибуху електричними захистами, механічною міцністю оболонки кабелю, яка розрахована на тиск продуктів горіння електричної дуги, стійкістю ізоляції жил і оболонки кабелю до теплових впливів, фізико-хімічними властивостями ізоляційного матеріалу, продукти розкладання якого в режимі двофазного короткого замикання знижують тривалість горіння електричної дуги до 30 мс, застосуванням в конструкції кабелю розщеплених силових жил, що дозволяє знизити значення струму двофазного короткого замикання в 1,3-1,8 разу.

Наукові результати досліджень та їх новизна:

1. Вперше обґрунтовано нормальний тепловий режим роботи гнучкого силового кабелю з розщепленими силовими жилами по тепловому опору ізоляції, який слід визначати формулою Сімонса зі збільшенням геометричного фактора в 1,13 разу.

2. Розвинено уявлення про механізм руйнування оболонок гнучких силових екранованих кабелів у режимі дугового короткого замикання впливом надлишкового тиску газів, утворених при термічному розкладанні ізоляційних матеріалів і доведено, що максимальний тиск газів не перевищує 1,18 МПа з надійною ймовірністю Р = 0,95.

3. Підтверджено здатність кабелю з розщепленими силовими жилами знижувати значення струму двофазного короткого замикання в 1,3-1,8 разу відносно струму короткого замикання в трижильному кабелі, що досягається шунтуванням дугового проміжку непошкодженою жилою цієї ж фази і доведено, що при дугових процесах в кабелі продукти термічного розкладання ізоляційного ПВХ пластикату знижують тривалість горіння електричної дуги до 30 мс.

4. Вперше запропоновано та обґрунтовано критерій оцінки стійкості оболонки кабелю до підвищеного тиску, як відношення тиску, що витримується оболонкою кабелю з умовною ймовірністю Р = 10^-4, до максимального тиску, який з надійною ймовірністю Р = 0,95 утворюється у разі виникнення електричної дуги.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується: збіжністю результатів експериментальних досліджень теплового режиму кабелю з аналітичними дослідженнями; задовільною збіжністю експериментальних і аналітичних досліджень струмів к.з. в мережах з трижильним кабелем і кабелем з розщепленими силовими жилами; застосуванням методів математичної статистики для аналізу результатів досліджень температури поверхні шлангової оболонки та визначенні коефіцієнта запасу стійкості оболонки кабелю до підвищеного тиску газів в режимі дугового к.з.; задовільною збіжністю результатів лабораторних досліджень міцності гнучкого силового екранованого шахтного кабелю типу КГЭШуС-ПБ з результатами промислових випробувань.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Виконані теоретичні дослідження склали основу для обґрунтування параметрів, які забезпечують вибухобезпеку їх експлуатації і які включено до ТУ У 31.3-31850229-005-2003 «Кабелі силові гнучкі екрановані на напругу 1140 В. Технічні умови».

2. Обґрунтовано методи контролю параметрів гнучких силових кабелів, що забезпечують вибухобезпеку їх експлуатації у нормальному і аварійному режимах роботи.

3. ЗАТ «Виробниче об'єднання «Бердянський кабельний завод» освоєно серійний випуск кабелю силового гнучкого екранованого шахтного зміцненого з сердечником підвищеної безпеки типу КГЭШуС-ПБ 6Ч25+3Ч3,5+4Ч2,5 на напругу 1140 В, який відповідає вимогам ТУ У 31.3-31850229-005-2003.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці технічних рішень, що формують в кабелі параметри, які забезпечують вибухобезпеку його експлуатації, у розробці методів оцінки стійкості гнучких силових кабелів, до впливальних чинників, обумовлених умовами експлуатації, в обґрунтуванні залежностей що визначають безпеку експлуатації кабелю в нормальному і аварійному режимах роботи і встановлюють зв'язок між електричними, тепловими, механічними характеристиками та умовами запобігання виникненню джерела ініціювання вибуху газу і/або пилу.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати, які отримано в дисертаційній роботі, доповідалися і було схвалено на таких науково-технічних конференціях: на науково-практичній конференції «Шляхи підвищення безпеки гірничих робіт у вугільній галузі», м. Макіївка, МакНДІ, 8-9 грудня 2004; на VI Міжнародній практичній конференції «Безпека життєдіяльності підприємств у вугільних регіонах», м. Санкт-Петербург, 19-20 квітня 2006; на міжнародній конференції «Форум гірників -2007», м. Дніпропетровськ, 11-13 жовтня 2007.

Публікації. Основні положення та результати роботи опубліковано в 16 друкованих роботах, з них 1 - в монографії, 7 - статті у наукових фахових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 4 - патенти України, 3 - матеріали наукових конференцій, 1 - в інших виданнях.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, 5 розділів, висновку,

8 додатків на 36 сторінках та списку використаних джерел із 125 найменувань на 12 сторінках. Роботу викладено на 194 сторінках машинописного тексту, з них обсяг основного тексту - 138 сторінок, 46 рисунків та 27 таблиць (з них 4 рисунка і 4 таблиці на окремих сторінках).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено її мету, завдання, викладені основні наукові положення, які виносяться на захист. Показано їх новизну і практичне значення результатів роботи. Наведено відомості про апробацію роботи і публікації матеріалів досліджень.

У першому розділі визначено об'єкт досліджень, яким є складний процес експлуатації гнучкого силового кабелю у вибухонебезпечному середовищі. Умови експлуатації кабелю визначають вплив факторів, які сприяють виникненню пошкоджень його конструктивних елементів. Кожне таке пошкодження небезпечне щодо займання газу та/або пилу.

Аналіз результатів експлуатації гнучких силових кабелів у складі механізованого комплексу з кабелеукладачем і без нього показує, що найбільш ймовірними пошкодженнями є: обрив жил дистанційного керування; пошкодження оболонки; прокол кабелю до мідних жил; прокол ізоляції дротом жили; обрив основної жили. Усі види пошкоджень небезпечні щодо займання вибухонебезпечного середовища.

Значний внесок у створення гнучких силових екранованих кабелів і забезпечення безпеки їх експлуатації у вугільних шахтах внесли Ковальов П. Ф., Колосюк В.П., Коптиков В.П., Лейбов Р.М., Озерний М.І., Соболєв В.Г., Сумін І.Ф., Сичов Л.І., Шишкін М.Ф., Шумейко В.І., Щуцький В.І. та інші учені.

Огляд публікацій та наукових звітів, а також аналіз конструкцій гнучких силових кабелів показав наступне: експлуатація гнучкого силового кабелю пов'язана з високою аварійністю; при швидкому пошкодженні кабелю безпечний час зняття напруги з кабелю знаходиться у межах 0,65-1,5 мс; час від моменту виникнення аварійного струму до початку короткого замикання в місці пошкодження ізоляції жил кабелю становить близько 3 мс; до цього часу в галузі не застосовуються засоби захисту, які б забезпечили випереджувальне вимикання джерел електричної енергії за час не більше 1,5 мс; гнучкі силові екрановані кабелі вітчизняного та закордонного виробництва за конструкцією і застосованим матеріалам знаходяться на одному технічному рівні; зміна конструкції гнучких силових кабелів у процесі їх розвитку були спрямовані на підвищення експлуатаційних характеристик і надійне виявлення аварійних режимів електричними захистами; як у вітчизняному, так і в світовому конструюванні гнучких силових екранованих кабелів до цього часу не розроблено вимоги до параметрів кабелів, що забезпечують вибухобезпеку їх експлуатації в нормальному і аварійному режимах роботи.

Другий розділ присвячено дослідженню міцності шахтних гнучких силових кабелів і кабелю КГЭШуС-ПБ. На вказаний кабель оформлено деклараційний патент України на корисну модель (№ 8465, Н01В7/04). Кабель взято як базовий зразок для обґрунтування параметрів вибухобезпеки гнучких силових кабелів, що забезпечують запобігання вибухам при їх експлуатації.

Вимогами стандартів системи безпеки праці передбачено забезпечення безпеки експлуатації електротехнічних виробів, як в нормальному, так і в аварійному режимі роботи, що досягається відповідністю параметрів,які впливають в умовах експлуатації факторів, міцнісним характеристикам кабелю.

Аналіз механізму руйнування конструктивних елементів показує, що кабель КГЭШуС-ПБ, скручений за схемою 1+6, найбільш стійкий до циклічного згину з осьовим крученням. Нескінченно мале кручення кабелю викликає приріст дроту у повиві жили, який є пропорційним радіусу скручення жили r₁ і обернено пропорційним радіусу скручення кабелю R. Для кабелю з затиснутими кінцями збільшення довжини дроту, жили і кабелю в цілому призводить до виникнення деформацій стиснення і розтягування. Компенсується приріст рухливістю мідних дротів відносно ізоляції жил і скручення жил відносно оболонки. Кабель КГЭШуС-ПБ з перерізом основних жил 25 мм² має більший радіус скручення кабелю R і менший радіус скручення жили r₁, ніж трижильні кабелі з перерізом основних жил 50 мм². Зниження величини приросту дроту за рахунок рухливості жили щодо ізоляції та ізольованої жили відносно оболонки кабелю виключає z-образні деформації.

Аналіз механізму руйнування кабелів і результатів оцінки стійкості кабелів до вигину з осьовим крученням показує наступне:

- розщеплення основних жил в кабелі, а також накладення на скручування допоміжних жил оболонки підвищують стійкість мідних жил кабелю до деформацій кручення і згину за рахунок зниження значення приросту жили під час кручення;

- застосування ПВХ пластикату для виготовлення конструктивних елементів, а також накладення поліетилентерефталатної стрічки на мідні жили, забезпечують рухливість конструктивних елементів кабелю відносно один одного і підвищують стійкість кабелю до деформацій вигину.

Дослідження механізму руйнування гнучких силових кабелів дією роздавлювального навантаження та оцінка їх стійкості до роздавлювання показують, що:

- роздавлювальне зусилля викликає зміщення силових жил по перерізу кабелю, спрямоване від осі кабелю;

- пошкодження ізоляції жил кабелю виникає переважно в результаті впливу на неї неізольованої жили заземлення, незалежно від її розташування в конструкції кабелю;

- накладення на жилу заземлення електропровідного матеріалу сприяє підвищенню стійкості кабелю до роздавлювання;

- нормальний режим експлуатації кабелю в умовах впливу роздавлювальних навантажень досягається його стійкістю до дії роздавлювання, значення якого не повине перевищувати 8000 Н. Захист кабелю від зусиль, що перевищують це значення, повинен здійснюватися кабелеукладачем, засобами механізації лави та електричними захистами.

Проведеними дослідженнями стійкості кабелів до розтягування установлено:

- критичні відносні подовження оболонок кабелів при розтягуванні до їх розриву становлять 25ч40%, а розтяжні зусилля розташовані в діапазоні 8,2ч20 кН для трижильних кабелів і 32 кН для кабелю з розщепленими силовими жилами, що становить 67,9 Н/мм² або 187,7 Н/мм² в перерахунку на сумарну площу мідних жил;

- нормальний режим експлуатації кабелів з ??коефіцієнтом запасу 1,5 забезпечується для трижильних кабелів при розтягуванні навантаженням 5,4 кН і для кабелю з розщепленими силовими жилами - 21 кН. Захист кабелів від навантажень, що перевищують ці значення має здійснюватися кабелеукладачем і електричними захистами.

Запропоновано метод, який полягає в механічному впливі на кабель ударом бойка з енергією удару 70 Дж і подальшої оцінки стійкості ізоляції кабелю до підвищеної напруги. Встановлено, що ПВХ ізоляція є найбільш стійкою до такого механічного впливу порівняно з гумовою ізоляцією. Такий метод дозволяє оцінити здатність кабелю виконувати свої функції при впливі зовнішніх механічних факторів, обумовлених умовами експлуатації.

Дослідженнями стійкості до механічних впливів серійних зразків гнучких силових кабелів і кабелю з розщепленими силовими жилами встановлено, що кабель КГЭШуС-ПБ має підвищені характеристики і може бути взятий як базовий зразок для подальших досліджень та обґрунтування параметрів кабелю, які забезпечують вибухобезпеку його експлуатації.

Третій розділ присвячено дослідженням теплових процесів в кабелі типу КГЭШуС-ПБ у нормальному та аварійному режимах роботи. Відомо, що безпечна робота кабелю в нормальному режимі залежить від теплофізичних характеристик ізоляційних матеріалів, які визначають тепловий опір кабелю і допустиму температуру його нагрівання.

Визначення теплофізичних характеристик ізоляційного та електропровідного ПВХ пластикатів нової рецептури проводилися методом б-калориметра. Встановлено, що зміна температури ПВХ пластикату підпорядковується кореляційної залежності (1):

Т=14,01Чt^0,14 , (1)

де Т - температура нагріву зразка ПВХ пластикату, ⁰С; t - час нагрівання, сек. Коефіцієнт кореляції становить R² = 0,97, помилка апроксимації = 0,5%.

Аналогічні дослідження були проведені для електропровідного ПВХ пластикату. Результати досліджень наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Теплофізичні характеристики ізоляційного та електропровідного ПВХ пластикатів

Найменування матеріалу	Темп зростання температури m, 1/с	Коефіцієнт теплопровідності ,	Питомий тепловий опір ,	Коефіцієнт температуропровідності ,
Ізоляційний ПВХ пластикат	0,046	0,224	4,5	0,8310-7
Електропровідний ПВХ пластикат	0,132	0,48	2,1	0,1210-6

Визначення теплофізичних характеристик кабелю дозволяє розрахувати довгостроково-допустиме електричне навантаження, яке визначає безпечний тепловий режим роботи. Аналітичні та експериментальні дослідження показують, що тепловий опір ізоляції кабелю з розщепленими силовими жилами визначається залежністю Сімонса (2) зі збільшенням геометричного фактора в 1,13 разу.

, , (2)

де k_G - поправковий коефіцієнт для геометричного фактора; - тепловий опір ізоляції, ; - питомий тепловий опір ізоляції кабелю, ; - товщина ізоляції на жилі, м; - товщина поясної ізоляції (внутрішньої оболонки), м; - діаметр струмопровідної жили, м; - геометричний фактор; n - кількість силових жил в кабелі.

Виконані перетворення, що враховують геометричні особливості кабелю з розщепленими силовими жилами дозволили отримати формулу для визначення довгостроково-допустимого струмового навантаження (3):

, (3)

де - активний опір кабелю, ; - тривало допустима температура нагріву ізоляції, ; - температура навколишнього середовища, ; - повний тепловий опір кабелю і повітря, ; - радіус кабелю по внутрішній оболонці, ; - радіус кабелю по зовнішній оболонці, ; - тепловий опір повітря, .

Дослідженнями, які полягали в оцінці здатності ПВХ пластикату нової рецептури зберегти ізоляційні і механічні властивості після прискореного і тривалого теплового старіння встановлено, що допустима температура нагріву ізоляції становить +85 ⁰С. При дотриманні цієї вимоги ізоляція кабелю збереже діелектричні і механічні характеристики, що дозволить забезпечити вибухобезпеку експлуатації кабелю в нормальному режимі роботи.

Встановлено, що розрахунковий тривало допустимий струм дорівнює I_нагр = 220А. Фізично формула (3) визначає умови безпечної експлуатації при впливі факторів, обумовлених взаємозв'язаними електричними, тепловими та механічними процесами, які відбуваються у кабелі.

На рис. 3 представлено результати апроксимації експериментальних значень температури нагріву ізоляції кабелю КГЭШуС-ПБ 6Ч25+3Ч3,5+4Ч2,5 струмовим навантаженням I_нагр = 220А. Кореляційне рівняння виражено степеневою функцією:

, (4)

де Т - температура нагріву ізоляції силової жили, ⁰С; t - час, хв.

Помилка апроксимації становить 1%. Коефіцієнт кореляції R² дорівнює 0,98.

Встановлено, що з імовірністю Р = 0,99 температура нагріву ізоляції у сталому режимі не перевищить +84,5 ⁰С. При цьому з імовірністю Р = 0,99 сталий режим настає після 142 хвилини. Помилка розрахунку д не перевищує 2%.

Відомо, що займання вугільного пилу відбувається при температурі +150⁰С. Запобігання запаленню пилу буде досягнуто, якщо оболонка кабелю в нормальному і аварійному режимах роботи кабелю не досягне цього значення. Встановлено, що з надійною ймовірністю Р = 0,99 стала температура нагріву оболонки кабелю струмовим навантаженням I_нагр = 220А не перевищує +53 ⁰С. Помилка розрахунку д не перевищує 2%.

Небезпечнішим аварійним тепловим режимом є дугове коротке замикання жил кабелю. Температура нагріву оболонки кабелю при виникненні короткого замикання розглядається як випадкова величина. Проведені дослідження показують, що температура нагрівання електричною дугою поверхні оболонки підпорядкована нормальному закону. Збіжність експериментальної і теоретичної кривої розподілу випадкової величини підтверджується критеріями Пірсона та Колмогорова-Смірнова. З надійною ймовірністю Р = 0,99 встановлено, що температура нагріву оболонки не перевищить +87 ⁰С. Помилка розрахунку д не перевищує 6%.

Оскільки допустима температура нагрівання поверхні електрообладнання і кабелів не повинна досягати +150⁰С, запас теплової стійкості оболонок, виготовлених з ПВХ пластикату, до впливу внутрішнього теплового джерела, визначається виразом:

, (5)

де - мінімальне значення температури займання пилу,⁰С; - максимальне значення довірчого інтервалу температури нагріву оболонки кабелів в режимі дугового к.з.,⁰С.

У роботі наведено результати досліджень стійкості гнучких силових кабелів до тривалого впливу зовнішнього теплового джерела. Аналіз процесу руйнування конструктивних елементів кабелів при тривалому ненормованому впливі зовнішнього теплового джерела дозволяє зробити наступні висновки:

- стійкість кабелів до тривалого впливу зовнішнього теплового джерела характеризує їх працездатність в аварійній ситуації, яка визначається не тільки як здатність передачі електричної енергії, а й здатність кабелю формувати сигнал на зняття напруги;

-в кабелях з гумовою ізоляцією при впливі теплового джерела електропровідні екрани виявляються повністю зруйнованими, що не дозволяє формувати первинні сигнали на зняття напруги з кабелю;

-в кабелях, виготовлених з ПВХ пластикату, при тривалому тепловому впливі зовнішнього джерела, оболонка утворює захисний коксовий шар, який перешкоджає руйнуванню електропровідних екранів.

Четвертий розділ присвячено дослідженням захисних властивостей конструкції і матеріалів кабелю КГЭШуС-ПБ в режимі дугового короткого замикання. Експериментальними та аналітичними дослідженнями струмів к.з. встановлено, що розщеплення основних жил кабелю призводить до перерозподілу і зниження значень струмів к.з. в 1,3-1,8 разу. Зниження струму к.з. відбувається в результаті збільшення опору лінії і залежить від відстані до точки короткого замикання. На рис. 5 показано зміну струмів короткого замикання в жилах кабелів КГЭШ 3Ч50+1Ч10+3Ч4 і КГЭШуС-ПБ 3Ч25+3Ч3,5+4Ч2,5, яка залежить від відстані до точки короткого замикання. На рис. 6 показана зміна повного опору лінії для цих кабелів.

Відомо, що обмеження струму к.з. знижує кількість виділеної в електричній дузі енергії і температури. Це дозволяє знизити надмірний тиск під оболонкою і забезпечити локалізацію продуктів горіння в аварійному режимі протягом часу, необхідного для зняття напруги з кабелю, і є захисною властивістю його конструкції.

Дослідженнями тривалості режиму к.з. встановлено, що полівінілхлоридна ізоляція знижує тривалість дії електричної дуги в замкнутому просторі і при малих обсягах до 30 мс. Гасіння електричної дуги пояснюється процесом дисоціації молекул водню на атоми і процесом їх рекомбінації на поверхні твердого діелектрика. Крім цього, утворення різних сполук з воднем відбувається з поглинанням великої кількості тепла, що також сприяє гасінню електричної дуги.

Необхідно відзначити, що ПВХ пластикат здатний обмежити час існування електричної дуги до 30 мс, а електричні захисти - до 120 мс. Зниження часу горіння електричної дуги приводить до зменшення кількості виділеної енергії, зниження тиску, що підвищує здатність кабелю запобігти виходу розпечених часток і газів з-під оболонки кабелю.

У режимі короткого замикання під оболонкою кабелю утворюється внутрішній тиск, обумовлений високотемпературним джерелом (електрична дуга) і газами, виділеними з ізоляції при її розкладанні. Аналіз результатів показує, що тиск під оболонкою кабелів КГЭШ, КГЭШВ і КГЭШуС-ПБ є випадковою величиною, яка підпорядкована нормальному закону. Установлено, що з імовірністю 0,95 тиск під оболонками кабелів у режимі к.з. не перевищить значення 1,18 МПа. Помилка розрахунку д не перевищує 4%.

Випробуваннями на гідростенді встановлено значення тисків, які з умовною ймовірністю Р = 10^-4 витримують оболонки кабелів. Показано умовні ймовірності розриву оболонок кабелів КГЭШ (1), КГЭШВ (2) і КГЭШуС-ПБ (3), які не мали пошкоджень. Незначні пошкодження оболонок кабелів КГЭШ і КГЭШВ практично не дозволяють створити тиск зважаючи на їх швидкий розрив. Встановлено, що внутрішня оболонка кабелю КГЭШуС - ПБ, поверх якої накладено мідно-сталеве обплетення з умовною ймовірністю Р = 10^-4 витримує тиск 2,0 МПа.

Тоді коефіцієнт запасу стійкості оболонки кабелю до надлишкового тиску газів утворених в режимі короткого замикання може бути визначений з формули (6):

(6)

де - мінімальне значення тиску, який з умовною ймовірністю Р = 10^-4 витримує оболонка кабелю, МПа; - максимальне значення тиску під оболонкою кабелю, який з імовірністю Р = 0,95 може виникнути в режимі дугового к.з., МПа.

Залежність (6) визначає запас стійкості внутрішньої оболонки кабелю до надлишкового тиску, який утворюється в режимі дугового короткого замикання. Здатність оболонки кабелю КГЭШуС-ПБ витримувати, порівнянно з іншими типами кабелів, тиск газів 2 МПа обумовлена ??конструкцією оболонки кабелю. Автором запропоновано метод оцінки коефіцієнта запасу стійкості оболонки кабелю до надлишкового тиску. Метод засновано на визначенні мінімального тиску, який з умовною ймовірністю витримує оболонка кабелю на гідростенді і тиску, що розвивається під оболонкою кабелю в режимі дугового короткого замикання. На метод оформлено патент України на корисну модель № 22382, МПК G01M 3 / 00, G01R 31/02.

Мідно-сталеве обплетення може бути використано для організації схеми контролю стану оболонки кабелю. Схема відрізняється нескладною реалізацією і є важливим технічним рішенням, яке забезпечує контроль стану зовнішньої оболонки кабелю. На наведене технічне рішення оформлено патент UA H02H № 3 / 16.

При пошкодженні зовнішньої оболонки мідно-сталеве обплетення, контактуючи з кабелеукладачем або стояком конвеєра, сформує сигнал на зняття напруги з кабелю при повному збереженні внутрішньої оболонки, чим досягається контроль стану оболонки кабелю в цілому.

У п'ятому розділі обґрунтовано концепцію забезпечення вибухобезпеки експлуатації гнучкого силового шахтного кабелю, яка досягається запобіганням можливості утворення джерела займання метаноповітряного середовища та реалізована технічними рішеннями і заходами, що визначають відповідність параметрів кабелю впливальним чинникам, обумовленим взаємозв'язаними механічними, електричними і тепловими процесами, які відбуваються в нормальному та аварійному режимах роботи. Наведено вимоги до параметрів гнучких силових шахтних кабелів і методи їх оцінки.

Запропонована концепція узгоджується з вимогами стандартів системи безпеки праці. Показано взаємозв'язок між заходами забезпечення вибухобезпеки експлуатації кабелю і вимог системи стандартів безпеки праці у частині забезпечення вибухобезпеки технологічного процесу.

силовий кабель електричний вибух

ВИСНОВКИ

Дисертація є закінченою науково-дослідною роботою у галузі охорони праці, у якій вирішено актуальне науково-технічне завдання - встановлення залежностей механічних, теплових та електричних процесів для запобігання вибухам при експлуатації шахтних гнучких кабелів. Основні результати роботи полягають у наступному:

1. Аналіз нормативних вимог стандартів системи безпеки праці і досвід експлуатації показують, що на цей час немає вимог до параметрів гнучких силових кабелів, які забезпечують вибухобезпеку їх експлуатації, що є причиною їх підвищеної небезпеки під час пошкодження і може призвести до виникнення вибухів на вугільних підприємствах України.

2. Запропоновано нову концепцію забезпечення вибухобезпеки експлуатації кабелів, яка ґрунтується в їх здатності самостійно запобігати утворенню джерела ініціювання вибуху, що досягається міцністю його конструктивних елементів, фізико-хімічними властивостями ізоляційних матеріалів, а також конструктивними рішеннями.

3. Доведено, що кабель з розщепленими силовими жилами і подвійною оболонкою, посиленою мідно-сталевим обплетенням має підвищену стійкість до руйнувальних впливів, обумовлених умовами експлуатації, у тому числі, до механічного удару та запропоновано метод оцінки стійкості кабелю до удару бойком з величиною енергії 70 Дж.

4. Обґрунтовано тривало допустимі струмові навантаження на кабелі з розщепленими силовими жилами і показано, що тепловий опір ізоляції такого кабелю визначається формулою Сімонса зі збільшенням геометричного фактору в 1,13 разу, що визначає відповідність тривало допустимих струмових навантажень теплофізичним і механічним характеристикам ізоляційних матеріалів і дозволяє запобігти утворенню джерела ініціювання вибухонебезпечного середовища в нормальному режимі роботи кабелю.

5. Показано, що у разі виникнення електричної дуги під оболонкою кабелю температура нагрівання її поверхні є випадковою, величиною підпорядкованою нормальному закону, яка з надійною ймовірністю Р = 0,99 не перевищить +87⁰С.

6. Обґрунтовано зниження в 1,3-1,8 разу значень струмів к.з. за рахунок їх перерозподілу між пошкодженою і непошкодженою жилами однієї розщепленої фази.

7. Показано, що при горінні електричної дуги в кабелі з ПВХ ізоляцією утворюється газове середовище, яке на 66% насичене воднем, і підтверджено зниження часу горіння електричної дуги до 30 мс в результаті автоматичного обдування каналу дуги воднем і процесів деіонізації дугового проміжку.

8. Встановлено, що в режимі дугового короткого замикання значення надлишкового тиску під оболонкою кабелю підпорядковане нормальному закону і з надійною ймовірністю Р = 0,95 не перевищує 1,18 МПа.

9. Доведено, що надлишковий тиск, який з умовною ймовірністю Р = 10^-4 може витримати кабель КГЭШуС - ПБ з пошкодженою зовнішньою оболонкою, не перевищує 2,0 МПа.

10. Розроблено метод оцінки стійкості оболонки кабелів до тиску, який вникає при дуговому к.з. а також метод визначення коефіцієнта запасу стійкості оболонки кабелів до надлишкового тиску, заснований на гідравлічних випробуваннях і імовірностній оцінці результатів досліджень. Доведено, що коефіцієнт запасу стійкості оболонки кабелю КГЭШуС-ПБ до надлишкового тиску в режимі дугового короткого замикання становить k_р = 1,69.

11. Результати виконаних досліджень включено до ТУ У 31.3.-31850229-005-2003 «Кабелі силові гнучкі екрановані на напругу 1140 В. Технічні умови».

ЗАТ «Виробниче об'єднання «Бердянський кабельний завод» освоєно серійний випуск кабелю силового гнучкого екранованого шахтного зміцненого з сердечником підвищеної безпеки типу КГЭШуС-ПБ 6Ч25+3Ч3,5+4Ч2,5 на напругу 1140 В.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Коптиков В.П. Силовые гибкие шахтные кабели с параметрами взрывопожаробезопасности / В.П. Коптиков, Л.А. Муфель, О.А. Демченко // Расследование и предотвращение аварий на угольных шахтах / [Под общ. ред. Брюханова А.М.] / - Донецк: Вебер, 2007. - Том ІІІ.- С. 505 - 534.

2. Демченко О.А. Создание взрывобезопасного гибкого кабеля / О.А. Демченко, Л.А. Муфель, В.С. Бакуменко, З.М. Иохельсон // Уголь Украины - 1996. № 3. - С. 34 - 38.

3. Коптиков В.П. Шахтные кабели электроснабжения и управления, направления совершенствования их конструкции / В.П. Коптиков, Л. А. Муфель, Н.П. Мартинович, О.А. Демченко // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. - 2001. - С. 236 - 245.

4. Демченко О.А. Оценка конструкции гибких силовых шахтных кабелей, пути повышения их эксплуатационной надежности / О.А. Демченко // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. Сборник научных трудов. - 2004. - Часть ІІ. - С. 252 - 264.

5. Муравьева В.М. Механизм и кинетика горения оболочки шахтного кабеля КГЭШС - ПБ / В.М. Муравьева, Л.А. Муфель, О.А. Демченко // Способы и средства создания безопасных и здоровых условий труда в угольных шахтах. Сборник научных трудов. - 2005. С. 285 - 291.

6. Коптиков В.П. Параметры пожаробезопасности гибких силовых шахтных кабелей / В.П. Коптиков, В.М. Муравьева, Л.А. Муфель‚ О. А. Демченко // Уголь Украины. - 2006. - № 4. - С. 29 - 31.

7. Коптиков В.П. Новые средства обеспечения безопасности применения электроэнергии в шахтах / В.П. Коптиков, Л.А. Муфель, О.А. Демченко, П.К. Жуйков // Уголь Украины. - 2008. - № 1. - С. 31 - 34.

8. Кашуба О.И. Пожарная безопасность гибких силовых шахтных кабелей / О.И. Кашуба, Л.А. Муфель, Л.И. Скляров, О.А. Демченко // Науковий вісник УкрНДІБ - 2009. № 2. - С. 148 - 151.

9. Коптиков В. П. Взрывобезопасный гибкий силовой кабель / В.П. Коптиков‚ Л.А. Муфель‚ О.А. Демченко // Безопасность труда в промышленности. - 2006. -№8.- С. 29 - 35.

10. Демченко О.А. Новая конструкция гибкого силового кабеля повышенной безопасности /О. А. Демченко // Тезисы докладов научно-практической конференции [„Пути повышения безопасности горных работ в угольной отрасли”], (г. Макеевка, 8-9 декабря, г. Святогорск 10-11.12. декабря 2004 г.) - г. Макеевка, 2004. С. 202 - 204.

11. Демченко О.А. Параметры взрывобезопасности и пожаробезопасности гибких силовых кабелей типа КГЭШуС-ПБ, КГЭШС-ПБ / О.А. Демченко // Материалы международного научно-практического семинара [”Проблемы производственного травматизма и условий труда”], (Санкт-Петербург, 19-20 апреля 2006 г.) - Санкт-Петербург, 2006. - 137 с.

12. Демченко О.А. Параметры взрывозащищенных шахтных гибких силовых кабелей / О.А. Демченко // Материалы международной конференции [”Форум горняков - 2007”], (Днепропетровск 11-13 октября 2007 г.) г. Днепропетровск. - С. 216-221.

13. Пат. на корисну модель № 8465 Україна, Н01В7/04. Вибухопожежобезпечний кабель для систем трифазного електропостачання / Брюханов О.М., Демченко О.О., Муфель Л.А., Авдєєв В.В., Годунов І.А., Кузнєцов М.Г. Макеєв С.В., Сотнік Л.С., Спиця М.В.; заявник та патентовласник Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості. - № 20041109; заявл. 29.11.2004; опубл. 15.08.2005, Бюл. № 8.

14. Пат. на корисну модель № 9328 Україна, Н01В7/04. Гнучкий силовий кабель / Демченко О.О., Коптиков В.П., Муфель Л.А., Муравйова В.М., Андрющенко В.О. Сотник Л.С.; заявник та патентовласник Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості. № u 2005 02583; заявл. 21.03.2005; опубл. 15.09.2005, Бюл. № 9.

15. Пат. на корисну модель № 17778 Україна, МПК Н02Н 3/16. Пристрій для випереджувального відключення напруги при пошкоджені гнучкого силового кабелю / Демченко О.О., Муфель Л.А.; заявники і патентовласники Демченко О.О., Муфель Л.А. № u 2006 03841; заяв. 07.04.2006; опубл. 16.10.2006, Бюл. № 10.

16. Пат. на корисну модель № 22382 Україна, МПК G01M 3/00, G01R 31/02. Спосіб випробування кабелю на вибухостійкість / Коптиков В.П., Демченко О.О., Муфель Л.А.,; заявник та патентовласник Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості. № u 2006 11560; заявл. 02.11.2006; опубл. 25.04.2007, Бюл. № 5.

Особистий внесок автора у роботах, опублікованих у співавторстві:

[1,11,12] - запропоновано концепцію щодо забезпечення вибухобезпеки під час експлуатації гнучкого силового кабелю, яка узгоджується з положеннями стандартів системи безпеки праці і яку спрямовано на запобігання утворенню джерела ініціювання вибуху;

[3,5,8,9] - запропоновано заходи, що забезпечують безпеку експлуатації гнучких силових кабелів у нормальному й аварійному режимах роботи;

[4,6] - запропоновано технічні рішення, реалізовані в конструкції гнучкого силового кабелю, які формують в ньому параметри, що забезпечують вибухобезпеку експлуатації;

[2,7,10] - виконано обґрунтування значень параметрів, які забезпечують вибухобезпеку експлуатації гнучких силових кабелів і заходів запобігання утворенню джерела ініціювання вибуху.

Размещено на Allbest.ru

...