Удосконалення методів оцінки безпеки електрообладнання дільниць вугільних шахт в аварійних режимах роботи мережі

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

державний вищий навчальний заклад

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ОЦІНКИ БЕЗПЕКИ

ЕЛЕКТРООБЛАДНАННЯ ДІЛЬНИЦЬ ВУГІЛЬНИХ ШАХТ В АВАРІЙНИХ РЕЖИМАХ РОБОТИ МЕРЕЖІ

ВИКОНАВ:

Чорноус Євген Віталійович

Донецьк 2007

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Аналіз статистичних даних МакНДІ та ДВНЗ “Донецький національний технічний університет“ показав, що в середньому на кожні 317 діб трапляється один вибух метаноповітряної суміші, спричинений струмами витоку або короткими замиканнями в електричних мережах. За цих же умов щорік трапляється 66 підземних пожеж. Крім того, нещасні випадки, пов'язані з ураженням людини електричним струмом складають 4% від загальної кількості смертельних випадків на гірничих підприємствах. За період із 1991 по 1998 рік трапилось 98 випадків смертельного ураження людини електричним струмом.

Значний внесок в розробку методів і засобів по рішенню питань безпечної для людини експлуатації гірничого електроустаткування внесли наукові співробітники Бацежев Ю.Г., Бунько В.А., Волотковський С.А., Гладилін Л.Б., Груба В.І., Грушко В.М., Дзюбан В.С., Іохельсон З.М., Іхно А.Г., Каймаков О.А., Кізімов М.О., Ковальов П.Ф., Колодочка П.А., Колосюк В.П., Коптіков В.П., Кравченко В.С., Лейбов Р.М., Маліновський А.А., Мнухін А.Г., Нагорний М.О., Ніконець Л.О., Озерной М.І., Півняк Г.Г., Погорельський А.Є., Сєров В.І, Сичьов Л.І., Соболєв В.Г., Сумін І.Ф., Цапенко Є.Ф., Черніков М.А., Шкрабець П.Ф., Шуцький В.І. та ін.

Але не всі задачі забезпечення надійної роботи та безпечної експлуатації систем електропостачання вуглевидобувних дільниць вирішені. Актуальними залишаються питання визначення рівня небезпеки дільничної мережі для людини, що потрапила під фазну напругу, а також для людей, які знаходяться в зоні виникнення замикання двох фаз на різні, рознесені в просторі, точки мережі заземлення.

Можливість визначення кількісних показників рівня небезпеки шахтної дільничної мережі для людини, що випадково опинилася під фазною напругою, дозволило б вирішення питань охорони праці ставити на більш високий рівень, а деякі з них вирішувати уже на стадії проектування системи електропостачання. Складність цієї задачі пов'язана з тим, що струм через тіло людини, що виявилася під фазною напругою, змінюється в широких межах не тільки по величині, але і по частоті. Це обумовлено реакцією нагромаджувачів енергії на роботу комутуючих апаратів мережі, інерцією двигунів, що продовжують генерувати ЕРС після аварійного вимикання, порушенням умов компенсації при зміні частоти обертання двигунів в стані вибігу, а також появою третьої гармоніки в складі струму через тіло людини внаслідок нелінійності керованого компенсуючого дроселя.

Очевидно, що в цих умовах об'єктивну кількісну оцінку тяжкості ураження людини і, як наслідок, рівня небезпеки для неї дільничної мережі, можуть забезпечити тільки інтегральні показники. Не менш актуальною є також задача розробки методики розрахунку інтегральних показників таких, що дозволили б визначати кількісну оцінку рівня небезпеки мережі як на стадії її проектування, так і в стані її експлуатації.

Крім того, для життя людей можуть виявитись небезпечними струми розтікання в елементах заземлюючої мережі, які можуть привести до пожежі або вибуху. До такої ситуації може привести, наприклад, маловивчений режим замикання двох фаз системи електропостачання на рознесені в просторі точки заземлюючого контуру.

В зв'язку з цим удосконалення існуючих і розробка нових методів та критеріїв оцінки небезпеки враження людини електричним струмом, та небезпеки, що несуть струми розтікання в елементах заземлюючої мережі в аварійних режимах, є актуальною науковою задачею підвищення безпеки праці у вугільній промисловості.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана за одним з основних наукових напрямків ДВНЗ “Донецький національний технічний університет“ в рамках розробок по держтемам Г-4-01 (№ держреєстрації 0101U001194) “Розвиток основ теорії процесу ураження людини електричним струмом при експлуатації електроустаткування“, Н 27/2000 “Підвищення ефективності систем електропостачання та електроспоживання“ і Д 6_03 “Розвиток основ теорії оцінки пожежної безпеки систем електропостачання 380-220 В житлових приміщень”.

Мета дослідження: Розвиток методів оцінки рівня небезпеки дільничної шахтної системи електропостачання для людини і розробка рекомендацій по підвищенню безпеки електричної мережі.

Задачі, поставлені для досягнення мети:

1. Розробити математичну модель керованого компенсуючого дроселя, визначити генеровані ним вищі гармонічні складові струму, що частково замикаються через тіло людини, оцінити їх вплив на важкість ураження людини електричним струмом.

2. Розробити математичну модель системи “дільнична мережа - людина“, яка дозволяє одержати інтегральні показники рівня небезпеки мережі для людини з урахуванням трьох етапів аварійної ситуації, включаючи перехідні процеси при їх зміні.

3. Розробити математичну модель електричної мережі разом з мережею заземлення для аналізу режиму двофазного замикання на рознесені в просторі точки заземлюючого контуру та оцінити рівень небезпеки для людини струмів розтікання в ланках захисного заземлення.

Об'єкт дослідження - безпека дільничних мереж електропостачання та захисного заземлення, струм через тіло людини, струми розтікання в мережі заземлення.

Предмет дослідження - фактори, що впливають на інтегральні показники ураження людини, що попала під фазну напругу, фактори, як визначають рівень небезпеки для людей струмів, що розтікаються в ланках мережі заземлення.

Методи дослідження. В основу рішення поставлених задач покладено математичне моделювання системи електропостачання дільниці, заземлюючої мережі, пристроїв компенсації, нелінійного дроселя, двигуна в стані вільного вибігу.

При розробці математичних моделей використані методи симетричних складових, вузлових потенціалів, еквівалентні перетворення.

Інтегрування лінійних систем виконувалося, як правило, узагальненим класичним методом. Нелінійні системи досліджувалися чисельним інтегруванням по методу Рунге-Кутта.

Наукові положення, що виносяться на захист, їх новизна:

нова математична модель керованого компенсуючого дроселя, яка відрізняється від відомих тим, що оперує миттєвими значеннями його робочих величин (струмів обмоток, потоків стрижнів) і це дозволяє визначити гармонічний склад робочого струму і частину його вищих гармонічних складових, які замикаються через тіло людини, що випадково опинилася під фазною напругою;

математична модель системи “електрична мережа - людина” і співвідношення для визначення інтегральних показників важкості ураження людини, що виявилась під фазною напругою, які відрізняються тим, що враховують три етапи аварійної ситуації, перехідні процеси при їх зміні, режим компенсації та закон зміни ЕРС двигунів в режимі вільного вибігу;

нова математична модель для дослідження режиму замикання двох фаз на рознесені в просторі точки заземлюючого контуру, що враховує дві області поперечної несиметрії та дозволяє оцінити рівень небезпеки аварійних струмів для людей, що знаходяться в зоні аварії.

Вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій обґрунтована:

при розробці математичних моделей - використанням випробуваних припущень про лінійність параметрів дільничної мережі електропостачання, її споживачів та елементів мережі заземлення стосовно симетричних та вищих гармонійних складових, а також застосуванням випробуваних, перевірених практикою методів дослідження;

при проведенні досліджень - використанням сучасних методів і засобів моделювання, контролем проміжних даних моделей, зіставленням результатів, отриманих різними методами чи, для окремих випадків, іншими авторами.

Наукове значення роботи полягає:

в розробці нової математичної моделі мережі, яка дозволяє визначити миттєве і еквівалентне значення струму, що протікає через тіло людини, що випадково виявилась під фазною напругою, і кількість поглинутої нею за час дії аварійної ситуації електромагнітної енергії;

в розробці нової математичної моделі силової та заземлюючої мереж для оцінки рівня небезпеки для людей струмів розтікання в ланках захисного заземлення при двофазному замиканні мережі на рознесені в просторі точки заземлюючого контуру.

Практичне значення роботи полягає:

в розробці методики, що дозволяє по відомим параметрам електроустановок і кабельних комунікацій дати попередню кількісну оцінку ступеня небезпеки дільничної мережі для людини, що випадково опинилася під фазною напругою, шляхом визначення еквівалентного струму через її тіло і кількості поглинутої нею при цьому електромагнітної енергії;

в розробці методики визначення ступеня небезпеки струмів, що розтікаються по елементам мережі заземлення, при замиканні двох фаз на рознесені в просторі точки заземлюючого контуру, а також в розробці та обґрунтуванні технічного рішення по підвищенню надійності системи захисного вимикання.

Соціальне значення роботи полягає в одержанні методики визначення інтегральних показників тяжкості ураження людини електричним струмом, використання яких в якості критеріїв оптимізації роботи компенсуючих пристроїв дозволяє підвищити рівень безпеки силової мережі для людини в аварійній ситуації.

Реалізація висновків і рекомендацій роботи. Основні наукові результати виконаних досліджень використані:

в держбюджетній темі ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” - “Підвищення ефективності систем електропостачання та електроспоживання” (Н27/2000);

в держбюджетній темі ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” - “Розвиток основ теорії процесів ураження людини електричним струмом при експлуатації електрообладнання” (Г-4-01);

в держбюджетній темі ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” - “Розвиток основ теорії оцінки пожежної безпеки систем електропостачання 380-220 В житлових приміщень” (Д 6-03);

в розробленій сумісно ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” і МакНДІ методиці “Методика оцінки електробезпеки електрообладнання на дільницях вугільних шахт” (1-а редакція);

в госпдоговорній роботі № 03-105 - “Оцінка вибухобезпеки та пожежобезпеки виробок при експлуатації відокремленої системи електропостачання напругою 6 кВ”;

при розробці та впровадженні для подальшого дослідження інститутом Мак НДІ “Методика визначення інтегральних показників рівня безпеки дільничної шахтної мережі напругою до 1000 В для людини, яка випадково потрапила під фазну напругу”;

в рекомендації по підвищенню надійності системи захисного вимикання використані УкрНДІВЕ;

в учбовому процесі при підготовці інженерів-електромеханіків.

Особистий внесок автора. Всі результати, що внесені в дисертаційну роботу, одержані автором особисто. В публікаціях, написаних у співавторстві, автору дисертації належить: [4, 6,7] - розробка математичних моделей, аналіз результатів, висновки; [5, 10, 11] - математичні моделі, представлення силової мережі та контуру заземлення, як одного об'єкта дослідження; [2] - аналіз варіантів схемних рішень; [1] - об'єднання трьох етапів аварійної ситуації в загальну математичну модель, аналіз інтегральних показників і особливостей впливу на них електричного опору тіла людини та параметрів мережі; [3] - вивід розрахункових співвідношень, аналіз результатів.

Апробація роботи. Основні результати роботи доповідалися і одержали схвалення:

II науково-практична конференція “Донбас 2020: Наука і техніка - виробництву” 05.02.2004 - 06.02.2004, м. Донецьк, “Моделирование управляемой магнитной цепи аппаратов защиты от утечек”, “Моделирование режима заземляющего контура при двухфазном замыкании шахтной участковой сети в разнесенных точках”, “О динамических процессах в шахтных сетях 660В с изолированной нейтралью при компенсации токов утечки на землю”.

IV Міжнародна науково-технічна конференція аспірантів і студентів “Автоматизація технологічних об'єктів. Пошук молодих”, 12.05.2004, м. Донецьк, “Представление шахтной участковой сети эквивалентным генератором относительно двух точек замыкания на заземляющий контур”.

Міжнародна науково-технічна конференція “Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації”, м. Кременчук, 19-21.05.2004, “О моделировании процессов в шахтных сетях 660 В с изолированной нейтралью при компенсации токов утечки на землю”.

Міжнародна науково-технічна конференція “Проблеми підвищення ефективності електромеханічних перетворювачів в електроенергетичних системах”, м. Севастополь, 20-24.09.2004, “Исследование аварийного режима заземляющего контура участковой шахтной сети”.

Міжнародна науково-технічна конференція “Ефективність і якість електропостачання промислових підприємств”, м. Маріуполь, 18-20.05.2005, “О влиянии надежности защитного отключения на безопасность системы электроснабжения участка угольной шахты”.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 наукових праць, із них 7 статей в фахових виданнях України, що входять в перелік рекомендованих ВАК України, в тому числі 7 в виданнях України.

Обсяг і обґрунтування структури роботи. Дисертаційна робота містить вступ, чотири розділи і висновки. Вона викладена на 128 сторінках, що включають 47 рисунків, 4 таблиці і список літератури з 88 найменувань на 9 сторінках, 7 додатків на 7 сторінках.

Структура роботи обумовлена розв'язуваними задачами.

компенсуючий дросель електрична мережа заземлення шахтна система

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ роботи “Актуальність проблеми і постановка задачі дослідження” присвячений огляду і короткому аналізу існуючих систем захисту дільничних шахтних мереж від замикань на землю, про застосування й ефективність роботи компенсуючих пристроїв, про ступінь небезпеки і тяжкості ураження електричним струмом людини, що випадково потрапила під фазну напругу дільничної мережі.

Основним засобом забезпечення електробезпеки в дільничних шахтних мережах при однофазних замиканнях на землю є пристрій захисного вимикання (реле витоку). При його роботі діє автоматична компенсація ємнісної складової струму витоку, яка в кілька разів знижує струм через тіло людини, що випадково опинилася під напругою. Однак, є питання, пов'язані з цим видом аварійної ситуації, які потребують додаткових досліджень.

По-перше, недостатньо вивчена та частина вищих гармонічних складових, генерованих нелінійним дроселем, які, попадаючи до складу струму витоку, замикаються через тіло людини. Вплив вищих гармонічних складових на тяжкість її ураження складає першу задачу дослідження.

По-друге, практично відсутні методи визначення інтегральних показників тяжкості ураження, що визначають кількісну оцінку рівня небезпеки дільничної мережі для людини, що випадково потрапила під фазну напругу. Діючий ГОСТ 12.1.038 - 82 обмежує величину струму через тіло людини в залежності від часу його тривалості. Стосовно шахтних дільничних мереж це питання особливо актуальне в зв'язку з тим, що аварійна ситуація складається з кількох етапів, при зміні яких спостерігаються інтенсивні перехідні процеси. Відомі пропозиції використати в якості узагальнених (інтегральних) показників тяжкості ураження людини еквівалентне (середньоквадратичне за час дії) значення струму або кількість електромагнітної енергії, поглинутої тілом людини за час дії струму. В даній роботі досліджено фактичне значення обох показників, що дозволяє дати попередню кількісну оцінку рівня небезпеки мережі для людини, що виявилась під фазною напругою. Це складає другу задачу дослідження даної роботи.

Недостатньо досліджені причини виникнення та можливі для персоналу наслідки двофазного замикання дільничної мережі на рознесені в просторі точки заземлюючого контуру. При виникненні цієї ситуації можуть виявитися недієвими всі існуючі методи захисту. Крім того, досвід дослідження шахтної мережі, де можуть виникнути дві, рознесені в просторі області поперечної несиметрії, зв'язані між собою розгалуженою мережею заземлення, практично відсутній. Оцінка рівня небезпеки, яку ця ситуація може нести для людей, що знаходяться в зоні аварії, складає третю задачу дослідження.

Другий розділ “Статичні і динамічні процеси, що протікають в шахтній дільничній мережі при однофазному замиканні на землю” присвячений аналізу аварійних режимів, обумовлених однофазним замиканням на землю. Основне завдання - визначення гармонічних складових струму, генерованих нелінійним дроселем, і які в складі струму витоку замикаються через тіло людини, а також оцінка їх впливу на тяжкість його ураження. Крім того, передбачалась розробка математичних моделей для дослідження струму витоку (струму через тіло людини) на першому етапі, що триває ? 0.2 с з моменту виникнення аварії.

Досліджувані схеми мережі електропостачання (рис.1) враховують опір ізоляції R і ємність жили кабелю С відносно землі, а також опір ушкодження R_П чи опір тіла людини R_h, що виявилась під напругою. Паралельно цій групі елементів також між мережею і “землею“ через пристрій приєднання підключений компенсуючий дросель L_Д, R_Д, причому, компенсуючі кола відрізняються схемами фільтрів нульової послідовності (ФНП), які виконують функції пристроїв приєднання дроселя. У схемі з індуктивним ФНП (L_F, R_F на рис. 1б) дросель підключається через роздільний конденсатор С_P.

Схема рис.1а в динаміці цілком визначена трьома змінними стану, які зв'язані наступною системою рівнянь:

;

;(1)

,

де i_Д , u_А , u_FА - миттєві значення змінних стану відповідно: струму дроселя, фазної напруги кабелю, фазної напруги ФНП;

e = E_m·sin(щt + ш) - миттєве значення ЕРС фази А джерела живлення;

ш - початкова фаза, що визначає момент комутації.

Аналогічною моделлю описується схема рис. 1б:

;

;(2)

,

де u_ср - миттєве значення напруги розділювальної ємності.

Дослідження кіл рис. 1 за допомогою лінійних динамічних моделей (1) і (2) при виникненні однофазного витоку не виявило ні статичних, ні комутаційних перенапруг в робочій області параметрів, однак дозволило встановити функціональний зв'язок між струмом дроселя, струмом витоку, індуктивністю дроселя і ємністю мережі (рис. 2).

;

;(3)

;

,

де r, r_ос - активні опори обмоток дроселя;

H(B) - апроксимована крива намагнічування;

B_k = Ф_k / S_k - індукція в стержнях магнітопроводу (k = 0, 1, 2);

?_k, S_k - довжина середньої лінії і переріз стержнів магнітопроводу;

д_k - довжина повітряних зазорів стержнів.

В зв'язку з тим, що система (3) не може бути представлена в формі Коші, її інтегрування виконувалося по методу Ейлера, причому, рішення нелінійної частини системи (перші три рівняння) виконувалося на кожному кроці інтегрування.

В результаті дослідження системи (3) була одержана серія розрахункових осцилограм миттєвих значень струму дроселя і магнітної індукції робочих стержнів (рис. 4). Їх гармонічний аналіз показав, що діапазон зміни індуктивності дроселя знаходиться в межах від 1 до 0.33 відносно її максимального значення, а найбільш вираженими з вищих гармонік є третя і п'ята. Їх діючі значення при найбільшому насиченні магнітопроводу складають відповідно 14% і 3% по відношенню до основної гармоніки. Зіставлення цих даних з даними рис. 2, дозволяє встановити, що максимальне значення третьої гармоніки в складі струму дроселя досягає 50 мА.

Той факт, що в складі струму дроселя виявились вищі гармонічні складові не є суттєвим. Спотворення кривої струму незначне (коефіцієнт гармонік в найбільш несприятливому випадку не перевищує 15 %), дросель в повній мірі виконує свою компенсуючу функцію.

Однак, суттєвим виявляється те, що частина вищих гармонік в складі струму витоку замикається через тіло людини. Для їх визначення використаємо те, що дросель, як нелінійний елемент, відносно вищих гармонік може розглядатися як генератор струму. Тоді досліджувана складова струму витоку (в даному випадку третя гармоніка) визначається співвідношенням:

,(4)

де I_d⁽³⁾ - діюче значення третьої гармоніки струму дроселя;

I_h⁽³⁾ - діюче значення третьої гармоніки струму через тіло людини.

Результати цього дослідження приведені на рис. 5, з якого витікає, що третя гармоніка струму в найгіршому випадку (максимальне насичення дроселя, найбільша ємність мережі) досягає 15 мА. Це означає, що діюче значення струму витоку (а також тяжкість ураження людини на першому етапі) за рахунок третьої гармоніки підвищується ? на 10 %.

При переході до інтегральних показників тяжкості ураження, які охоплюють три етапи аварійної ситуації, вплив третьої гармоніки знижується до (2 … 5) %. В той же час відхилення індуктивності дроселя на (10 … 20) % може посилити тяжкість ураження в 2 … 3 рази. Причому, для людини заниження індуктивності є більш несприятливим фактором ніж її завищення.

Що стосується п'ятої гармоніки, то її значення майже в 5 разів менше третьої, крім того, вона, згідно (4), в 1.8 разів сильніше шунтується ємністю мережі. Це означає, що ця гармонічна складова на тяжкість ураження людини впливає в 8 разів менше третьої і в подальшому аналізі не враховується.

У третьому розділі “Кількісні показники дії струму на людину, що потрапила під напругу дільничої шахтної мережі” виконаний аналіз аварійної ситуації, пов'язаної з випадковим попаданням людини під фазну напругу дільничної мережі. Дослідження виконані в плані обговорення і постановки питання.

В умовах шахтної дільничної мережі величина, тривалість і зміна в часі струму через тіло людини не в повній мірі укладається в рамки діючих нормативних документів (ГОСТ 12.1.038 - 82, наприклад). І це незважаючи на систему захисного вимикання і компенсацію ємнісної складової струму витоку. Обумовлено це тим, що після захисного вимикання продовжується обертання двигунів, що генерують ЕРС. Розглядаючи найбільш несприятливий випадок, можна виділити три етапи аварійної ситуації:

На першому етапі, що триває з моменту виникнення витоку до спрацьовування захисного вимикання (Дt₁ ? 0.2 с), струм обмежується роботою компенсуючого пристрою, причому, при використанні керованого дроселя компенсація ємнісної складової струму витоку практично повна.

На другому етапі (Дt₂ ? 0.25 с … 0.30 с) людина знаходиться під впливом еквівалентної ЕРС двигунів в стані вільного вибігу. Режим характеризується попереднім значенням ємності кабелів і частковою втратою керованості компенсуючого дроселя. Незважаючи на зниження напруги (майже в 1.5 рази) можливе зростання струму витоку.

Третій етап починається моментом вимикання контакторів дільниці. Ємність мережі при цьому зменшується в 3...5 разів. Компенсація цілком відсутня. Тривалість третього етапу прийнята Дt₃ ? 0.35 с … 0.45 с.

Таким чином, загальна тривалість трьох етапів знаходиться в межах:

Дt_? ? Дt₁ + Дt₂ + Дt₃ ? 0.9 с … 1.1 с.

При цьому струм через тіло людини змінюється в широких межах не тільки по величині, а й по частоті, включаючи динамічні сплески при зміні етапів, що ускладнює можливість об'єктивної кількісної оцінки рівня виниклої для людини небезпеки. Відомі два основні показники, що дозволяють одержати інтегральну оцінку рівня небезпеки досліджуваної ситуації:

1. Еквівалентне (середньоквадратичне за час дії t_д) значення струму I_е , що протікає через тіло людини:

(5)

2. Кількість електромагнітної енергії Q, поглинутої тілом людиною за час дії струму, пов'язана з його опором R_h залежністю:

(6)

В якості постановки питання основна задача розділу - розробка методики визначення фактичних значень еквівалентного струму і кількості поглинутої тілом людини електромагнітної енергії для трьох етапів аварійної ситуації в залежності від параметрів мережі, схеми компенсуючого пристрою та режиму його роботи.

Літературні джерела розходяться у відношенні допустимого значення поглинутої енергії Q _доп. Граничні значення струмів, що встановлені ГОСТ 12.1.038 - 82, залежать від часу їх дії. Перерахування їхніх значень для кількості поглиненої енергії за 1 с (при R_h = 1000 Ом) дає Q _доп = 2.5 Дж. У даному дослідженні це значення прийняте як орієнтир.

Двигуни в області вибігу (t > 0.2 с), коли мережа відключена, представляються еквівалентним генератором, ЕРС якого визначається співвідношенням:

(7)

де k_е = 0.95 … 0.98 -коефіцієнт, що враховує відношення початкового значення ЕРС двигуна відносно фазної напруги мережі U_мах;

Т_Е , Т_М - відповідно електромагнітна і механічна постійні часу двигунів у стані вибігу, с;

s_н - номінальне ковзання двигуна (еквівалентного генератора);

щ₀ - частота мережі, рад/с.

Співвідношення (6) отримано при допущенні, що двигуни сповільнюються з постійним прискоренням (це значить, що по суті Т_М є часом вибігу).

Дослідження першого етапу виконувалося шляхом аналітичного моделювання схем електропостачання, приведених на рис. 1. Другий і третій етапи, через нелінійну залежність ЕРС двигунів від часу, досліджувалися чисельним інтегруванням.

На рис. 6 приведена одна з розрахункових осцилограм, отриманих в результаті дослідження моделей трьох описаних етапів за умови, коли індуктивність дроселя (некерована) забезпечує повну компенсацію на першому етапі і зберігає те ж значення на другому етапі, коли частота вже змінилася і резонанс струмів не забезпечується. На осцилограмі приведені миттєве значення струму витоку i(t); його еквівалентне (середньоквадратичне) значення I_экв(t); а також кількість електромагнітної енергії, поглинутої людиною, Q_е(t).

Різке зростання струму і поглинутої енергії на другому етапі (0.20 с < t < 0.45 с) обумовлено зниженням частоти еквівалентної ЕРС двигунів і, отже, зниженням компенсуючих властивостей некерованого дроселя. Очевидно, що другий етап являє серйозну загрозу ураження людини. Разом з тим було встановлено, що при початковій фазі комутації ц = 90⁰ короткочасний сплеск динамічної складової струму витоку на початку першого етапу досягає 0.54 А, причому, ця величина не залежить від типу чи якості роботи компенсуючого пристрою. При інших значеннях початкової фази напруги в момент комутації спостерігається зниження амплітудного значення динамічної складової струму витоку. Для другого крайнього випадку ц = 0 амплітудне значення струму витоку складає 0.25 А, однак кількість поглинутої людиною до кінця першого етапу електромагнітної енергії збільшується на 18%. Остання обставина ставить під сумнів загальновизнану думку, про те, що початкова фаза ц = 90⁰ є найбільш несприятливої для людини, що попала під напругу.

На рис. 7 приведені залежності поглинутої людиною електромагнітної енергії від величини індуктивності компенсуючого дроселя Q_е(L/L₀), причому, значення індуктивності узяте стосовно її резонансного значення L₀ на першому етапі.

Звертає на себе увагу наступне. По-перше, з огляду на гірші умови комутації (для першого етапу Ш = 0⁰, а для другого етапу Ш = ± 90⁰), можна стверджувати, що сумарна величина енергії, поглиненої людиною в перехідних режимах не залежить від схеми ФНП чи режиму компенсації і знаходиться в межах від 0.7 Дж до 0.8 Дж. Причому, ця величина від напруги знаходиться в залежності, близької до квадратичної.

Таким чином, очевидно, що схема компенсації з керованим дроселем має по енергетичному показнику визначений “запас“ для підвищення напруги джерела живлення.

В усіх виконаних дослідженнях обидва інтегральних показника згідно (4) і (5) знаходяться в однозначній відповідності. У тім же випадку, коли міняється опір людини, досліджувані інтегральні показники дають протилежні оцінки. Результати цього дослідження приведені на рис. 9. Суть результату цього дослідження: для інтервалу 0.3 кОм < R_h < 3 кОм підвищення опору людини знижує величину струму через його тіло, але збільшує кількість поглинутої енергії.

Результати останнього дослідження (рис. 9) не дають змоги однозначно визначити, який з розглянутих інтегральних показників є “більш об'єктивним“ для оцінки рівня небезпеки мережі для конкретної людини. Однак, для конкретного значення опору людини R_h ці показники дозволяють дати попередню кількісну оцінку порога небезпеки досліджуваної мережі в даній аварійній ситуації.

Необхідно також відзначити, що будь який з цих показників - кількість поглинутої енергії чи еквівалентний струм через тіло людини - може служити критерієм порогу безпеки при оптимізації параметрів досліджуваної мережі або схеми чи режиму роботи компенсуючого пристрою.

У четвертому розділі “Дослідження аварійних режимів мережі при двохфазному замиканні на рознесенні точки заземлюючого контуру” аналізуються шляхи виникнення і розвитку однієї з небезпечних аварійних ситуацій - замикання двох різних фаз на рознесені в просторі точки заземлюючого контуру. Основною передумовою її виникнення є не відключене однофазне замикання на землю. Хоча імовірність виникнення такої ситуації невелика, через підвищену небезпеку передумови її виникнення і розвитку мають потребу в спеціальному дослідженні.

ВИСНОВКИ

В дисертаційній роботі надане рішення актуальної наукової задачі по попередній кількісній оцінці рівня небезпеки шахтної дільничної мережі для людини, що випадково опинилася під фазною напругою, яка полягає в розробці нової математичної моделі процесу захисного відключення, одержанні миттєвих і еквівалентних значень струму через тіло людини і кількості поглиненої нею при цьому електромагнітної енергії, а також в оцінці рівня небезпеки струмів, що розтікаються по заземлюючій мережі дільниці при подвійних замиканнях її системи електропостачання на рознесені в просторі точки заземлюючого контуру.

Основні результати виконаної роботи полягають в наступному:

1. На підставі гармонічного аналізу струму компенсуючого дроселя встановлено, що частина генерованої ним третьої гармонічної складової (до 15 мА), попадаючи в склад струму витоку, може збільшити значення еквівалентного струму через тіло людини (а також тяжкість її ураження) на першому етапі на ?10 %, а за весь час аварійної ситуації на 2…5 %.

2. Розроблено математичну модель і методику визначення інтегральних показників тяжкості ураження людини - еквівалентного струму і кількості поглиненої її тілом електромагнітної енергії, що враховує три послідовні етапи перебування людини під фазною напругою дільниці, включаючи перехідні процеси при зміні етапів.

3. Встановлено, що найбільш вагомим фактором, що визначає значення поглиненої тілом людини енергії, є індуктивність компенсуючого дроселя. Для базового варіанта з некерованим дроселем (U = 660 В, L/L₀ = 1, С = 0.75 мкФ/фазу, Т_Е = 1, Т_М = 2с) значення поглинутої енергії знаходиться в межах від 1.6 Дж до 1.7 Дж при ємнісному ФНП і від 2.3 Дж до 2.4 Дж при індуктивному ФНП, причому, величина L/L₀ = 1.1 для ємнісного ФНП і L/L₀ = 1.15 для індуктивного ФНП по енергетичному показнику є близькими до оптимального значення (відповідно 1.3 Дж і 1.6 Дж). Крім того, зменшення індуктивності на (10 … 15) % у порівнянні з резонансною приводить до збільшення поглиненої тілом людини енергії в 1.5 … 2.0 рази.

4. Для кола з керованим дроселем, що забезпечує повну компенсацію на першому етапі і підвищеним у 1.25 - 1.35 рази значенням індуктивності на другому етапі, енергетичний показник для базового варіанта складає від 1.0 Дж до 1.1 Дж. Це значить, що схема має “запас“ по поглиненій енергії і визначений резерв для мережі напругою 1140 В.

5. Механічна постійна часу двигунів у межах від 2 с до 5 с, опір ізоляції кабелів в межах від 50 кОм до 500 кОм, а також параметри ФНП незначно впливають на величину поглиненої тілом людини енергії (у межах від 3 % до 8 %), і не є визначальними факторами.

6. Сумарна кількість поглиненої енергії, обумовленої перехідними процесами при зміні етапів, практично не залежить від схеми чи режиму компенсації і при ємності мережі 0.75 мкФ/фазу складає від 0.7 до 0.8 Дж, а з ростом напруги мережі збільшується в залежності, близької до квадратичної.

7. Обидва показники тяжкості ураження, що знаходяться в однозначній відповідності при R_h = 1000 Ом, при зміні опору дають протилежні оцінки. Наприклад, збільшення опору людини з 1 кОм до 2.5 кОм в базовому варіанті знижує еквівалентний струм з 44 мА до 33 мА (на 25 %), але збільшує величину поглиненої енергії з 2.2 Дж до 3.4 Дж (на 60 %). Для тієї ж схеми з керованим дроселем при оптимальному режимі компенсації еквівалентний струм зменшується з 32 мА до 25 мА (на 22 %), а кількість поглиненої енергії збільшується з 1.2 Дж до 1.8 Дж (на 50 %). Ця особливість змушує залишити поки що відкритим питання, якому з досліджених показників варто віддати перевагу. Разом з тим будь-який з цих показників може служити критерієм оптимізації при виборі параметрів компенсуючого пристрою або режиму його роботи.

8. При моделюванні замикання двох різних фаз на рознесені в просторі точки заземлюючого контуру встановлено, що струми аварійних фаз порівняні з пусковими струмами двигунів і не чуттєві до максимального захисту, струми місцевих заземлювачів в залежності від опору і місця розташування знаходяться в межах від 0.1 А до 10 А, що не виключає можливого іскріння при наявності ослаблених контактних з'єднань. Однак, найбільшу загрозу іскріння і дугоутворення являють собою струми між корпусами працюючих машин (комбайна і конвеєра, наприклад) які, в залежності від величини переміжного опору, знаходяться в межах від 20 А до 200 А, причому, всі відомі види струмового захисту в даній аварійній ситуації неефективні, тому що динамічні сплески струмів у відкритих ланках мережі заземлення виникають раніше моменту аварійного відключення.

9. Реальним засобом боротьби з дослідженою аварійною ситуацією є своєчасне усунення передумов її виникнення, основною з яких є не відключене однофазне замикання, яке приводить до підвищення напруженості електричного поля в ізоляції не ушкоджених фаз кабелю в ? 1.7 рази. Проведений аналіз технічних рішень, спрямованих на підвищення надійності системи захисного відключення при виникненні струму витоку.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

Чорноус Е.В., Ковалев А.П., Чорноус В.П. Об оценке электробезопасности сети с изолированной нейтралью // Электричество 5/2006. - С. 59-62.

Ковалев А.П., Чорноус Е.В., Нагорный М.А. Влияние надежности защитного отключения на безопасность системы электроснабжения участка угольной шахты. Взрывозащищенное оборудование: Сб. науч. тр. УкрНИИВЭ / Под общ. ред. д-ра техн. наук, проф. В.С. Дзюбана. - Донецк: ООО “Юго-Восток, Лтд”, 2005. - С. 265-269.

Ковалев А.П., Якимишина В.В., Чорноус Е.В. О математической модели надежности защитного коммутационного аппарата. // Наукові праці Донецького національного технічного універсітету. Серія: “Електротехніка і енергетика”, випуск: Донецьк: ДоНТУ, 2005. - С. 70-73.

Ковалев А.П., Чорноус В.П. Чорноус Е.В. Математическое моделирование процессов в сети 660В с изолированной нейтралью при компенсации токов утечки на землю // Электричество, 2/2004. - С. 18-24.

Ковальов О.П., Чорноус В.П., Чорноус Є.В. Дільнична шахтна мережа як активний двополюсник відносно заземлюючого контуру // Наукові праці Донецького національного технічного ун-ту. Серія “Електротехніка і енергетика”, випуск 79, м. Донецьк, 2004. - С. 130-133.

Чорноус Е.В., Чурсинова А.А. О моделировании процессов в шахтных сетях 660 В с изолированной нейтралью при компенсации токов утечки на землю // Вісник Кременчуцького державного політехнічного університету: Наукові праці КДПУ. - Кременчук: КДПУ, 2004. - Вип. 3/2004(26). - С. 156-158.

Ковалев А.П., Чорноус В.П., Чорноус Е.В. Моделирование шахтной участковой сети при двухфазном замыкании на заземляющий контур // Наукові праці Донецького національного технічного універсітету. Серія: “Електротехніка і енергетика”, випуск 41: Донецьк: ДонДТУ, 2002. - С. 234-238.

Чорноус Е.В. Моделирование управляемой магнитной цепи аппаратов защиты от утечек // Материалы II научно-практической конференции “Донбас-2020: наука і техніка - виробництву”. - С. 381-385.

Чорноус Е.В. Моделирование режима заземляющего контура при двухфазном замыкании шахтной участковой сети в разнесенных точках // Материалы II научно-практической конференции “Донбас-2020: наука і техніка - виробництву”. - С. 353-357.

Чорноус Е.В., Журавель Е.А. О динамических процессах в шахтных сетях 660В с изолированной нейтралью при компенсации токов утечки на землю // Материалы II научно-практической конференции “Донбас-2020: наука и техника - производству”. - С. 374-380.

Ковалев А.П.,Чорноус В.П.Чорноус Е.В. Исследование аварийного режима заземляющего контура участковой шахтной сети. Проблеми підвищення ефективності електромеханичних перетворювачів в електроенергетичних системах. // Матеріали наук.-техн. конф., м. Севастополь, 20-24 вересня 2004 р. - Севастополь: Вид-во СевНТУ, 2004. - С. 33-34.

АНОТАЦІЯ

Чорноус Е.В. Удосконалення методів оцінки безпеки електрообладнання дільниць вугільних шахт в аварійних режимах роботи мережі - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.26.01 - “Охорона праці“. ДВНЗ “Донецький національний технічний університет”, Донецьк - 2007.

Дисертація присвячена розробці й удосконаленню існуючих методів оцінки процесів, що в аварійних ситуаціях протікають в шахтних дільничних мережах, та розробці заходів щодо підвищенню рівня їх електробезпеки й експлуатаційної надійності.

Досліджені інтегральні показники рівня небезпеки дільничної мережі для людини (еквівалентний струм через його тіло і кількість поглиненої ним електромагнітної енергії) від параметрів мережі і компенсуючих пристроїв, закону зміни ЕРС двигунів і перехідних процесів при зміні етапів. Встановлено, що інтегральні показники можуть використовуватися як критерії оптимізації параметрів і режиму компенсуючих пристроїв.

Проведені дослідження струмів мережі і струмів розтікання в режимі двофазного замикання на рознесені в просторі точки заземлюючого контуру. Встановлено, що в цій аварійній ситуації існуючі засоби струмового захисту неефективні незалежно від швидкодії і необхідне своєчасне усунення передумов її виникнення.

Отримані результати дозволяють поліпшити якість оцінки рівня небезпеки дільничної мережі для людини, сприяють підвищенню її електро-, вибухо- та пожежобезпеки.

Ключові слова: електробезпечність, захисне заземлення, математична модель, електропостачання, захист від витоків, компенсація, вільний вибіг двигуна, еквівалентний струм, кількість поглиненої енергії, струми розтікання.

Чорноус Е. В. Усовершенствование методов оценки безопасности электрооборудования участков угольных шахт в аварийных режимах работы сети - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01 - “Охрана труда“. ГВУЗ “Донецкий национальный технический университет”, Донецк - 2007.

Диссертация посвящена разработке и совершенствованию существующих методов оценки процессов, протекающих в шахтных участковых сетях в аварийных ситуациях и разработке мероприятий по повышению уровня их электробезопасности и эксплуатационной надежности.

Разработаны математические модели участковой сети в режиме однофазного замыкания на землю, включающие модель нелинейного компенсирующего дросселя и асинхронного электродвигателя в состоянии свободного выбега. Установлено, что в силовой цепи при исправном устройстве компенсации отсутствуют коммутационные или резонансные перенапряжения.

Для аварийной ситуации, обусловленной попаданием человека под фазное напряжение и состоящей из трех сменяющихся этапов, выполнено исследование эквивалентного значения тока через тело человека и количества поглощенной им электромагнитной энергии в зависимости от влияния переходных процессов на границах этапов, параметров сети, закона изменения ЭДС двигателей и режима работы компенсирующих устройств. Эти величины рассматриваются как интегральные показатели уровня опасности участковой сети для человека. Вместе с тем, эти же показатели являются критериями оптимизации при выборе параметров и режима работы компенсирующих устройств.

Разработана математическая модель участковой сети в режиме замыкания двух ее фаз на разнесенные в пространстве точки заземляющего контура. Выполнено исследование токов силовой цепи и токов растекания в контуре заземления, а также токов на перемежающихся сопротивлениях между рабочими механизмами. Установлено, что при возникновении этого вида аварии существующие средства токовой защиты неэффективны вне зависимости от быстродействия. Основным средством борьбы с этой аварийной ситуацией является устранение предпосылок ее возникновения, в частности, предотвращение появления не отключенного однофазного замыкания на землю. Предложено и обосновано техническое решение по повышению надежности системы защитного отключения шахтной участковой сети, заключающееся в дублировании сигнала на отключение на несколько коммутационных аппаратов.

На основании полученных математических моделей разработана инженерная методика “Методика оценки электробезопасности электрооборудования на участках угольных шахт”, позволяющая оценивать и прогнозировать вероятность поражения людей электрическим током при эксплуатации горного электрооборудования на участках угольных шахт, а также “Методика определения интегральных показателей уровня безопасности участковой шахтной сети напряжением до 1000 В для человека, оказавшегося под фазным напряжением” для оценки степени опасности участковой сети с точки зрения электробезопасности.

Совокупность полученных результатов позволяет улучшить качество оценки уровня опасности участковой сети для человека и способствует повышению ее электро-, взрыво- и пожаробезопасности.

Ключевые слова: электробезопасность, защитное заземление, математическая модель, защита от утечек, компенсация, свободный выбег двигателя, количество поглощенной энергии, эквивалентный ток, токи растекания.

Chornous E. An improvement method of estimate safety electrical equipment district coal mine in network malfunction.

Dissertation by competition academic degree of candidate of technical science by speciality 05.26.01 - “Protection of labour”. Donets national technical university, Donetsk - 2007.

Dissertation to give up improvement the estimate method of malfunction district mine network process and feasibility study by raising the level of their electrical safety and serviceability.

It explore the integral characteristics of dangerous level district network for men (equivalent current through mens body and quantity mens absorb electromagnetic energy) from network and compensate equipment parameters, law of variation electric motor emf and transient process by stage changing. It demonstrated, integral characteristics are as optimization criteria of compensate equipment parameters and operating mode.

The currents of network and spreading currents are explored in the mode of two-phase short circuit on set about the in space points of ground connection. It is set that in this emergency situation existent facilities of current defence are uneffective. The timely removal of pre-conditions of its origin is needed.

The got results allow to improve quality of estimation danger level of district network for a man, facilitate in the increase of her elektrical-, explosion- and fire safety.

Keywords: power supply, protective grounding, mathematical model, protecting from leakage, compensation, free stopway of electric motor, equivalent current, amount of absorb energy, spreading currents.

Размещено на Allbest.ru

...