Автоматическая защита электрооборудования шахт от аварийных и опасных состояний


К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва






АВТОМАТИЧЕСКАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ШАХТ ОТ АВАРИЙНЫХ И ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ




Учебное пособие

















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 622.012.2:621.316
ББК 33:31.26
     M25

                     Рекомендовано ученым советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, протокол № 5 от 27.11.2020 г.






Рецензенты:
первый заместитель директора дирекции стратегии поставок электротехнической продукции ПрАО «Донецксталь» - Металлургический завод» (г. Донецк)
д-р техн. наук, проф. В. С. Дзюбан;
заведующий кафедрой восстанавливаемых источников энергии ГВУЗ «Национальный горный университет» (г. Днепропетровск) д-р техн. наук, проф. Ф. П. Шкрабец;
заместитель директора ГУ «Макеевский НИИ
по безопасности работ в горной промышленности» (г. Макеевка, Донецкая обл.) д-р техн. наук, проф. В. П. Коптиков


     Маренич, К. Н.
M25 Автоматическая защита электрооборудования шахт от аварийных и опасных состояний : учебное пособие / К. Н. Маренич, И. В. Ковалёва. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 216 с. : ил., табл.
          ISBN 978-5-9729-0764-9

          Рассмотрены принципы построения и функционирования технических средств автоматической защиты рудничного электрооборудования от аварийных и опасных состояний, включая состояния междуфазного короткого и дугового замыкания, токовой перегрузки, утечки тока на землю. Освещены перспективные направления совершенствования схемотехники защитных устройств. Рассмотрены принципы выявления аварийного состояния в участковой электросети автономными техническими устройствами со стороны присоединений статоров асинхронных двигателей потребителей, построение и функционирование технических устройств автоматического двустороннего защитного обесточивания шахтной участковой электросети.
          Для студентов, изучающих горную электротехнику и автоматику. Может быть полезно инженерно-техническим работникам, занимающимся автоматизацией защиты промышленного электрооборудования от опасных состояний.

УДК 622.012.2:621.316
                                                              ББК 33:31.26




ISBN 978-5-9729-0764-9

     © Маренич К. Н., Ковалёва И. В., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

СОДЕРЖАНИЕ


ПРЕДИСЛОВИЕ............................................... 6
РАЗДЕЛ 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АВАРИЙНЫХ И ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
ШАХТ И РУДНИКОВ........................................... 8
1.1   Система электроснабжения шахты как объект применения автоматических защит от аварийных и опасных состояний ............................................. 8
1.1.1 Принципы построения схемы электроснабжения шахты ... 8
1.1.2 Общие принципы построения системы электроснабжения технологического участка шахты.................. 11
1.1.3 Автоматический выключатель как исполнительное устройство защитного обесточивания участковой электросети ............................................... 15
1.1.4 Магнитный пускатель как средство дистанционной коммутации силового присоединения системы электроснабжения шахтного участка.............................. 18
1.1.5 Заземление корпусов электрооборудования как средство обеспечения безопасности его эксплуатации........... 26
1.2   Особенности процесса короткого замыкания в трёхфазной электросети с изолированной нейтралью трансформатора.............................................. 29
1.3   Анализ опасностей электропоражения при эксплуатации шахтных участковых электроустановок................. 40
1.3.1 Условия электропоражения человека при касании к токоведущим частям.................................... 40
1.3.2 Влияние состояния изоляции сети на безопасность эксплуатации электрооборудования....................... 45

РАЗДЕЛ 2. УСТРОЙСТВО, ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СРЕДСТВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК..    51
2.1  Принципы построения и средства максимальной токовой

      защиты электроустановок............................ 51
2.1.1 Функциональные свойства электромагнитных расцепителей максимального тока.................................. 52
2.1.2 Устройство и свойства средств максимальной токовой защиты с регулированием уставки срабатывания............. 54

3

2.2   Ограничение токовой перегрузки как мера противодейст      вия воспламенению гибких кабелей при их междуфазном повреждении........................................... 63
2.2.1 Устройство и защитная функция гибких кабелей с параметрами взрыво-пожаробезопасности......................... 63
2.2.2 Принципы автоматического ограничения тока короткого замыкания................................................. 66
2.3   Проблематика защиты от междуфазных замыканий через сопротивление электрической дуги.......................... 68
2.4   Автоматическая защита электрооборудования от перегрева вследствие токовых перегрузок....................... 72
2.5   Принципы построения средств защитного обесточивания цепи утечки тока на землю................................. 78
2.5.1 Устройство и свойства средств выявления состояния утечки тока на землю...................................... 78
2.5.2 Автоматическая компенсация ёмкости изоляции сети... 87
2.5.3 Автоматическое закорачивание повреждённой фазы как средство ускорения обесточивания цепи утечки тока на землю..................................................... 90
2.5.4 Применение микропроцессорной схемотехники как средство расширения функциональных свойств устройств защиты от утечек тока на землю..................... 93
2.5.5 Устройство и функционирование средств защиты от утечек тока на землю в комбинированных электрических сетях шахтных участков.................................... 98
2.5.6 Принцип автоматического селективного контроля параметров изоляции шахтных высоковольтных сетей............. 103
2.6   Средства автоматического блокирования включения коммутационного аппарата при повреждении изоляции отходящего кабеля........................................ 105
2.7   Защитное отключение электроустановок при исчезновении напряжения в сети.................................... 108
2.8   Защита электродвигателей от неполнофазного электропитания при применении тиристорных регуляторов напряжения ................................................ 110
2.9   Системная автоматика шахтных высоковольтных сетей.... 115
2.9.1 Автоматическое повторное включение................... 115
2.9.2 Автоматическое включение резерва..................... 118

4

РАЗДЕЛ 3. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИПЫ
ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ДАТЧИКОВ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ
ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК......................................... 127
3.1   Датчики электрического тока........................ 127
3.1.1 Электромагнитные трансформаторы тока............... 127
3.1.2 Датчик тока «Катушка Роговского»................... 131
3.1.3 Оптические датчики тока............................ 133
3.1.4 Измерительные шунты................................ 136
3.1.5 Датчики тока на основе эффекта Холла............... 137
3.2   Преобразователи мощности........................... 141
3.3   Аппаратные средства температурной защиты электрических машин шахты.................................. 142
3.3.1 Датчики устройств температурной защиты электрических машин........................................ 142
3.3.2 Аппараты «КОРД» защиты горных машин от перегрузок.. 146
РАЗДЕЛ 4. ЗАЩИТНОЕ ПОДАВЛЕНИЕ ОБРАТНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОТОКОВ АСИНХРОННЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ............................................... 149
4.1   Обратные энергетические потоки асинхронных двигателей как фактор поддержания опасных состояний электрооборудования .................................. 149
4.2   Устройство и проблематика применения системы опережающей защиты рудничных электроустановок........ 155
4.3   Автономные устройства отделения от сети обратных энергетических потоков асинхронных двигателей: принципы устройства и защитные функции................ 159
4.4   Электробезопасность эксплуатации двухскоростного асинхронного двигателя............................ 169
4.5   Индукционно-динамическое торможение асинхронного
      двигателя как средство прекращения действия обратного энергетического потока............................. 175
4.6   Принудительное отключение контакторов магнитных пускателей как средство повышения быстродействия обесточивания участковой электросети.............. 181
ПРИЛОЖЕНИЯ............................................... 186
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................ 206

5

ПРЕДИСЛОВИЕ


      Горное производство представляет собой комплекс взаимосвязанных энергоёмких технологических процессов и предполагает применение высокомощного электромеханического оборудования в условиях потенциальной опасности возникновения пожара, взрыва метано-воздушной смеси или угольной пыли. Факторы опасности дополняются высокой степенью вероятности механического повреждения гибких кабелей участковых электросетей, которые применяются для подвода электроэнергии от участковых распредпунктов к электродвигателям потребителей. В результате таких повреждений могут возникать состояния междуфазных коротких замыканий, сопровождаемые воспламенениями электрооборудования; опасность электропоражения человека при касании фазного проводника, находящегося под напряжением.
      Эти обстоятельства обусловливают необходимость применения целого комплекса мер по защитному обесточиванию рудничных электротехнических комплексов при возникновении аварийных или опасных состояний, что реализуется соответствующими автоматическими средствами защиты.
      Решение задач, связанных с разработкой и эффективной эксплуатацией средств автоматической защиты электротехнического оборудования шахт от аварийных и опасных состояний в значительной степени определяется качеством подготовки специалистов в области автоматизации горно-технологических процессов.
      Учитывая это, в учебном пособии рассмотрение схемных решений и принципов работы типовых средств автоматической защиты рудничного электротехнического оборудования основано на анализе устройства и функционирования рудничных электротехнических комплексов в нормальном режиме эксплуатации и при возникновении аварийных и опасных состояний. Наряду с известными и распространёнными в горной промышленности защитными устройствами рассмотрены перспективные направления усовершенствования схемотехники автоматической защиты, включая микропроцессорные защитные средства, защитные свойства взрывозащищённых гибких шахтных кабелей.
      Особое внимание уделено рассмотрению принципов выявления аварийного состояния в кабелях участковой электросети автономными техническими средствами со стороны статорных цепей

6

асинхронных двигателей потребителей, построению и функционированию технических средств автоматического двустороннего защитного обесточивания шахтной участковой электросети. Актуальность этих вопросов обусловлена тенденцией относительно увеличения мощности электромеханического оборудования рудничных технологических установок и связана с повышением воздействующего фактора обратных ЭДС асинхронных двигателей потребителей в режиме свободного выбега при использовании увеличенных длин и сечений гибких кабелей; сетевого напряжения увеличенного номинального уровня.
      Всё это создаёт возможность формирования у студентов системы знаний по теории построения автоматических средств быстродействующего защитного обесточивания оборудования систем электроснабжения технологических установок с учётом специфики их рудничного исполнения и эксплуатации в условиях шахты.
      Подготовка учебного пособия базируется на многолетнем опыте преподавания учебных дисциплин, профильных для кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р.М. Лейбова» Донецкого национального технического университета; результатах научных исследований и разработок авторов этого учебного пособия, а также выдающихся отечественных и зарубежных учёных, специализирующихся в вопросах автоматизации защиты промышленного электрооборудования от аварийных и опасных состояний.

7

РАЗДЕЛ 1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АВАРИЙНЫХ И ОПАСНЫХ СОСТОЯНИЙ
ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ШАХТ И РУДНИКОВ

    Учебной целью раздела является обретение студентами знаний относительно условий возникновения аварийных и опасных состояний оборудования рудничных электротехнических комплексов, особенностей типичных аварийных процессов в шахтных электросетях. Результатом освоения студентами материала раздела является знание условий возникновения аварийных и опасных состояний рудничного электрооборудования, процессов в электросети и электроустановках, которыми сопровождается их аварийные и опасные состояния, и принципов формирования информационных параметров для осуществления автоматической защиты рудничных электроустановок.

1.1 Система электроснабжения шахты как объект применения автоматических защит от аварийных и опасных состоянии

1.1.1 Принципы построения схемы электроснабжения шахты

    Горное производство в условиях шахты характеризуется совокупностью взаимосвязанных технологических процессов (очистные и проходческие работы, подъём, локомотивный и конвейерный транспорт, водоотлив, вентиляция и др.), каждый из которых предусматривает применение мощного электромеханического оборудования. При этом обязательным условием применения установок шахтного людского подъёма, вентиляции горных выработок, водоотлива, обогрева воздуха в шахтных стволах (в зимний период) является обеспечение непрерывности электроснабжения, что необходимо для обеспечения безопасности персонала. Таким образом, шахта является высокомощным потребителем электрической энергии и, как потребитель, должна быть отнесена к первой категории электроснабжения.
    Задача обеспечения непрерывного электроснабжения шахты решается на основе резервирования источников электропитания и секционирования шин электропотребителей, что реализуется структурой схемы главной поверхностной (ГПП) и центральной подземной (ЦПП) подстанций (рис. 1.1).


8

Ввод №1
    _|_35 кВ ...220 кВ

Ввод №2
    _|_35 кВ ...220 кВ

Отделитель

Отделитель

Короткозамыкатель

гпп

Короткозамыкатель

■il—пли
TV1

TV2

6 кВ

АВР

ВР
Ш-li'

6 кВ

6 кВ

6 кВ

КУ

АВР
-Гек

Потребители поверхности шахты

цпп


ВФФФФФФСФФФФФФВ

УКРВ-6,3

АВР

УКРВ-6,3

Рисунок 1.1 - Схема подачи электроэнергии потребителям шахты

Распределение электроэнергии напряжением 6 кВ на распределительные пункты технологических участков, удалённые высоковольтные распределительные пункты, дистанционный пуск/отключение высоковольтных асинхронных двигателей

9

     В соответствии со схемой, подача электроэнергии на главную поверхностную подстанцию производится по двум независимым линиям электропередачи трёхфазным напряжением номинального уровня 35 кВ, либо 110 кВ или 220 кВ. Это напряжение подаётся на первичные обмотки трёхобмоточных трансформаторов TV1 и TV2 ГПП, первые вторичные обмотки которых задействованы (в соответствии со схемой) для электропитания напряжением 6 кВ подземных потребителей и подключены к соответствующим вводным распределительным устройствам (В) центральной подземной подстанции. Другие вторичные обмотки трансформаторов ГПП предусмотрены для электропитания напряжением 6 кВ потребителей поверхности.
     Гальваническое разделение подземных потребителей от потребителей поверхности позволяет:
     -     избежать параллельного присоединения сопротивлений изоляции поверхностных и подземных электросетей и этим поддержать достаточно высокое сопротивление изоляции как подземной электросети, так и электросети поверхности;
     -     исключить влияние на режим нейтрали подземных потребителей (обязательно - режим изолированной нейтрали) со стороны электротехнических комплексов поверхности.
     Применение секционных выключателей (С) между системами сборных шин потребителей поверхности, а также секционных высоковольтных распределительных устройств ЦПП обеспечивает выполнение функции автоматического включения резерва (АВР). В случае обесточивания одной из секций потребителей (например, в случае отказа трансформатора TV1 ГПП) секционный выключатель подключит эту секцию к источнику электропитания другой секции (выход трансформатора TV2 ГПП) и этим восстановит электропитание.
     Защита высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП) от грозовых перенапряжений осуществляется высоковольтными разрядниками (ВР), которые создают в искровом промежутке цепь повышенной проводимости на землю в случае возникновения чрезмерно высоких (в сравнении с номинальным) напряжений между ЛЭП и землёй.
     Компенсация реактивной мощности (создаваемой асинхронными двигателями потребителей) осуществляется установками косинусных конденсаторов (КУ) общепромышленного исполнения (на ГПП) и рудничного исполнения (типа УКРВ-6,3) на ЦПП, а питание низковольтных потребителей выполняется посредством соответствующих

10

понижающих силовых трёхфазных трансформаторов (TV3 - TV5, соответственно со схемой по рис. 1.1).
     Реакторы L1 и L2 применяют в случае необходимости для ограничения токов короткого замыкания на вводах ЦПП. Вероятным аварийным состоянием ЦПП следует считать короткое замыкание в силовых присоединениях, что требует применения устройств максимальной токовой защиты в составе схем фидерных (Ф) комплектных высоковольтных распределительных устройств.
     Распределённость потребителей поверхности обусловливает целесообразность применения средств максимальной токовой защиты с функцией селективности выявления и отключения аварийного участка высоковольтного присоединения. Наряду с этим, имеет место применение плавких предохранителей для защиты электроустановок при напряжении 35 кВ, 110 кВ, 220 кВ (высоковольтные трансформаторы в комплектных подстанциях, маломощные высоковольтные присоединения, в отношении которых не требуется автоматического повторного включения).
     Таким образом, автоматическая защита шахтных высоковольтных сетей и электротехнических установок должна быть распространена на выполнение следующих функций:
     -     максимальная токовая защита высоковольтных присоединений;
     -     селективная максимальная токовая защита распределённых потребителей поверхности;
     -     автоматическое включение резерва (АВР) при обесточивании одного из двух независимых источников электропитания;
     -     автоматическое повторное включение (АПВ) электроустановок (для которых правилами эксплуатации предусмотрена эта функция).

1.1.2 Общие принципы построения системы электроснабжения технологического участка шахты

     Процесс добычи угля на современном горном предприятии осуществляется при условии функционирования многочисленных технологических установок: очистных и подготовительных комплексов, конвейерного и локомотивного транспорта, водоотлива, вентиляции, шахтного подъёма и др. Все эти установки оснащены электроприводами, обычно, - средней или большой мощности. Итак, элек

11

тротехнические комплексы технологических участков и установок шахты являются важнейшими объектами, обеспечивающими выполнение всех производственных процессов.
     Структура электротехнического комплекса очистного участка шахты строится в соответствии с положениями нормативных документов [1] и содержит источник электропитания - комплектную трансформаторную подстанцию (КТП), распредпункт участка (РП) и асинхронные электродвигатели (М) потребителей (рис. 1.2). В свою очередь, участковый распредпункт может быть представлен совокупностью магнитных пускателей (П), от которых по радиальной схеме к асинхронным двигателям соответствующих потребителей ведёт разветвлённая сеть гибких кабелей (ГК) [2-4].

КТП

Рисунок 1.2 - Типовая схема электроснабжения очистного участка шахты на основе применения пускателей (а); станций управления (б)

    Групповой автоматический выключатель (АВ) применяется на вводе участкового распредпункта с целью подачи (снятия) напряжений на РП вручную и отключения его в автоматическом режиме при условии исчезновения напряжения в сети, возникновении короткого замыкания в присоединении или наличии команды внешней технологической защиты (например, газовая защита). Подача напряжения от участковой подстанции на ввод группового автоматического выключателя распределительного пункта осуществляется по магистральному кабелю (МК), в качестве которого принимают бронированные или полугибкие экранированные кабели.
    Наряду с применением магнитных пускателей, вся совокупность силовых коммутационных аппаратов РП участка может быть разме


12

щена в комплектном распределительном устройстве - станции управ ления (рис. 1.3).


Рисунок 1.3 - Обобщённая структурная схема станции управления СУВ-350А (СУВ-630): БП - блок питания; БДУ - блок дистанционного управления; БКИ - блок контроля изоляции; БТЗ - блок токовой защиты; ДТ1-ДТ3 - датчики тока; QS - разъединитель; QF - автоматический выключатель; FA1 - максимальный расцепитель; FV - нулевой расцепитель; YAT -независимый расцепитель; К1-К7 - контакторы присоединений

Комбайн Резерв Конвейер
         комбайна

Насосная Насосная Лебедка Сверло Автоматика станция станция

Рисунок 1.4 - Блочно-структурная схема комплектного устройства управления КУУВ-500/500-2 (обеспечения электропританий потребителей участка напряжениями двух номинальных уровней - 660 В и 1140 В)

     Современные тенденции применения энергомеханического оборудования повышенной мощности обусловливают необходимость электропитания таких потребителей напряжением повышенного но


13