Электрооборудование технологических установок горных предприятий


ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ




Учебник
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 622.012.2:621.316
ББК 33:31.26
     Э45

                    Рекомендовано ученым советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, протокол № 6 от 04.09.2015 г.




Авторы :
К. Н. Маренич, В. В. Калинин, Ю. В. Товстик, И. Я. Лизан, В. В. Коломиец



Рецензенты:
заведующий кафедрой восстанавливаемых источников энергии
ГВУЗ «Национальный горный университет» (г. Днепропетровск) д-р техн. наук, проф. Ф. П. Шкрабец;
заведующий отделом проблем управления магнитным полем Научно-технического центра магнетизма технических объектов (г. Харьков) Национальной академии наук Украины д-р техн. наук, проф. Б. И. Кузнецов;
заместитель директора ГУ «Макеевский НИИ
по безопасности работ в горной промышленности» (г. Макеевка, Донецкая обл.) д-р техн. наук, проф. В. П. Коптиков

Э45         Электрооборудование технологических установок горных предприятий :
     учебник / [К. Н. Маренич и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 272 с. : ил., табл.
            ISBN 978-5-9729-0790-8

      Изложены основные положения относительно применения электрооборудования, вопросы электробезопасности и средств защиты, а также вопросы проектирования, расчёта и выбора электрооборудования для предприятий с особо опасными условиями труда. Освещены вопросы обеспечения взрывозащиты рудничного электрооборудования и защиты персонала предприятия от электропоражения.
      Для студентов, изучающих горную электротехнику. Может быть полезно инженернотехническим работникам, занимающимся вопросами электроснабжения горных предприятий.
УДК 622.012.2:621.316
ББК 33:31.26










ISBN 978-5-9729-0790-8

     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
     © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

СОДЕРЖАНИЕ


Предисловие .............................................6

Раздел 1. Основные положения по применению электрооборудования......................................8
1.1  Опасности, связанные с применением электрооборудования .. 8
1.2  Нормативная документация по применению электрооборудования....................................12
1.3  Классификация электроустановок и электрооборудования .... 15
1.4  Предупреждение взрывов от электрического тока......20
1.5  Предупреждение пожаров от электрического тока......24

Раздел 2. Защита человека от поражения электрическим током...................................................29
2.1  Общие сведения ....................................29
2.2  Действие электрического тока на организм человека..31
2.3  Условия поражения человека электрическим током при прикосновении к токоведущим частям.................35
2.4  Влияние состояния изоляции на безопасность и надёжность эксплуатации электрооборудования.......................40
2.5  Защитное шунтирование на землю повреждённой фазы...45
2.6  Защита от утечек тока на землю.....................47
2.7  Защита от утечек тока на землю в системах электроснабжения с частотным управлением электроприводами горных машин.............................................59
2.8  Защита от утечек тока на землю в электросети с выпрямителями..........................................71
2.9  Условия поражения человека током при касании нетоковедущих элементов электроустановок...............73
2.10 Устройство защитного заземления на поверхности.....81
2.11 Устройство заземления в подземных выработках.......85
2.12 Защитное зануление.................................87

Раздел 3. Средства защиты от аварийных и ненормальных режимов работы электроустановок.........................96
3.1  Аварийные и ненормальные режимы работы электрооборудования....................................96
3.2  Требования к устройствам защиты....................98


3

3.3  Особенности процесса короткого замыкания.........102
3.4  Защита от токов короткого замыкания..............108
3.5  Максимальная токовая защита рудничных
     низковольтных аппаратов..........................115
3.6  Дифференциальная токовая защита..................119
3.7  Температурная защита электрооборудования.........121
3.8  Защита от самопроизвольного включения машин
     и механизмов.....................................124
3.9  Защита от токовой перегрузки.....................127
3.10 Устройства защитного отключения электродвигателя при стопорении........................................133

Раздел 4. Компоновка и электрооборудование подстанций и распределительных устройств на поверхности шахт...................................136
4.1  Типы подстанций и распределительных устройств.....136
4.2  Система сборных шин..............................140
4.3  Реакторы.........................................146
4.4  Защита от перенапряжений.........................149

Раздел 5. Взрывозащита рудничного электрооборудования ... 160
5.1  Уровни взрывозащиты электрооборудования..........160
5.2  Виды взрывозащиты электрооборудования............164
5.3  Область применения электрооборудования...........182

Раздел 6. Трансформаторы и комплектные трансформаторные подстанции ..........................185
6.1  Общие положения..................................185
6.2  Трансформаторы и комплектные трансформаторные
     подстанции для электроустановок поверхности .....187
6.3  . Рудничные взрывобезопасные трансформаторы и КТП.190

Раздел 7. Коммутационные аппараты.....................197
7.1  Основные понятия и определения...................197
7.2  Автоматические выключатели.......................202
7.3  Разъединители и выключатели нагрузки ............206
7.4  Выключатели высокого напряжения..................208
7.5  Комплектные распределительные устройства (КРУ)
     общего назначения................................214


4

7.6 Взрывозащищённые комплектные распределительные устройства.........................................217
7.7 Контакторы....................................222
7.8 Магнитные пускатели...........................227
7.9 Станции управления ...........................237
7.10 Устройства плавного пуска асинхронных двигателей..240
7.11 Устройства управления двухскоростными двигателями.243
7.12 Комплектные распределительные устройства участковых трансформаторных подстанций............244

Раздел 8. Шахтные кабели .........................248
8.1 Общие сведения ...............................248
8.2 Бронированные кабели..........................252
8.3 Гибкие и особо гибкие кабели..................254
8.4 Присоединение и соединение кабелей............257

ПРИЛОЖЕНИЯ .......................................262
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................268


5

ПРЕДИСЛОВИЕ


     Условием эффективной работы предприятий угольной промышленности является широкое применение электромеханических комплексов технологических установок шахт. Важное место в этом занимает автоматизация горно-технологических процессов. Именно применение технических средств автоматизации способствует улучшению условий и повышению уровня безопасности труда, увеличению его производительности. Таким образом, автоматизация горнотехнологических процессов является одним из важнейших факторов обеспечения высоких показателей добычи угля - важнейшего энергетического ресурса государства.
     Решение задач автоматизации технологических процессов в значительной степени определяется качеством подготовки специалистов в области разработки и эксплуатации средств промышленной автоматизации. В подавляющем большинстве функции автоматического контроля и управления касаются электрических аппаратов и электротехнических комплексов - силового электрооборудования технологических машин и установок промышленных предприятий. Поэтому специалист в области автоматизации горно-технологических процессов должен быть хорошо осведомлён в вопросах построения и применения силового электрооборудования технологических установок шахт, других родственных энергоёмких производств. Это тем более важно, поскольку речь идёт о безопасной и эффективной эксплуатации рудничного электрооборудования в потенциально опасных условиях горных предприятий.
     Учитывая это, в учебнике особое внимание уделено освещению вопросов обеспечения взрывозащиты рудничного электроборудова-ния, защиты персонала предприятия от электропоражения при эксплуатации силовых электрических аппаратов и устройств в условиях шахты. В учебнике содержится актуальная научно-техническая информация относительно рудничного электрооборудования как применяемого в промышленности, так и его перспективных разработок отечественных и ведущих зарубежных производителей. Всё это создаёт возможность формирования у студентов системы знаний по теории электроснабжения горных предприятий и особенностей устройства и применения рудничного электрооборудования.
      Подготовка учебника основана на многолетнем опыте преподавания учебных дисциплин по изучению к общепромышленного

6

и рудничного электрооборудования преподавателями кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р. М. Лейбова» (К. Н. Маренич, В. В. Калинин, Ю. В. Товстик) Донецкого национального технического университета (ДонНТУ, г. Донецк) и электротехнического факультета* (И. Я. Лизан, В. В. Коломиец) Украинской инженернопедагогической академии при подготовке специалистов по направлению «Автоматизация и компьютерно-интегрированные технологии». Раздел 2.6 учебника подготовлен к.т.н., доцентом Дубининым Сергеем Васильевичем **(ДонНТУ).

* сведения по состоянию на 2009 г. - год издания базовой версии данного учебника

** с 2014 г. - доцент Белорусского национального технического университета

7

            РАЗДЕЛ 1 ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ



     Учебной целью раздела является рассмотрение особенностей опасных состояний, являющихся специфическими при эксплуатации электроэнергетического оборудования. Результатом освоения студентами материала раздела является умение классифицировать электроустановки и электропомещения в соответствии со спецификой их эксплуатации, знание принципов предупреждения взрывов метано-воздушной смеси и пожаров на горных предприятиях вследствие возникновения аварийных состояний электрооборудования.

     1.1 ОПАСНОСТИ, СВЯЗАННЫЕ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

     Применение электрооборудования сопряжено с опасностями: поражения человека электрическим током, взрыва газовых, пылевоздушных смесей (при достаточной их концентрации), пожара (вследствие воспламенения горючих материалов). К опасностям от применения электрооборудования следует отнести также механическое травмирование людей при внезапном непредвиденном включении машин и механизмов из-за повреждения цепей управления силовыми коммутационными аппаратами.
     В условиях ведения подземных горных работ степень и последствия опасностей, связанных с эксплуатацией рудничных электроустановок существенно повышаются. Это требует создания более безопасного электрооборудования и систем электроснабжения.
     Опасность взрыва обусловлена тем, что электрооборудование размещается в выработках с высокой вероятностью образования взрывоопасных концентраций метана либо угольной пыли в воздухе.
     Большую опасность представляют пожары в шахтах. Значительная протяжённость кабельных линий в выработках с интенсивной вентиляцией и отсутствие постоянного надзора за каждой подземной электроустановкой, состоянием кабельных сетей способствует быстрому развитию пожара. Возникает опасность обрушения выработок вследствие выгорания деревянных элементов крепи, смертельного отравления персонала угарным газом.


8

     Опасность поражения человека электрическим током в шахте обусловлена стеснённостью пространства, сыростью, агрессивностью окружающей среды, интенсивной запылённостью. Насыщение рудничного воздуха агрессивной влагой затрудняет поддержание хорошего состояния изоляции электроустановок. В этих условиях повышены вероятность контакта человека с их элементами, находящимися под напряжением и тяжесть последствий электротравмы. Опасность электротравматизма усугубляется переводом электроприводов технологических установок шахты на более высокие уровни напряжений в связи с повышением мощностей горных машин.
     Повышенная опасность применения электрооборудования в шахте обусловлена специфическими условиями и режимами работы машин и электроустановок. К важнейшим факторам, оказывающим влияние на безопасность применения электрооборудования, относят следующие [1, 2, 3, 4].
     1.      Высокая вероятность образования взрывоопасной атмосферы (метана в смеси с воздухом, взвешенной в воздухе угольной пыли) происходит при нарушении режима проветривания выработок. Интенсивно концентрация метана нарастает при внезапных выбросах угла и газа, суфлярных выделениях и ведении взрывных работ.
     2.     Ограниченность пространства, обусловленная размерами горных выработок, приводит к созданию условий массового соприкосновения людей с оболочками электрооборудования, которые могут оказаться под напряжением вследствие повреждения изоляции и, следовательно, повышению опасности поражения человека электрическим током. Вследствие ограниченности пространства вблизи мест компактного расположения электрооборудования могут находиться горючие материалы: уголь, деревянная крепь и т.п., что повышает пожароопасность. При установке электрооборудования в выработках с ограниченным пространством существует вероятность его повреждения рабочими органами горных и транспортных машин, либо вследствие обрушений кровли, боковых пород.
     3.     Факторы внешней окружающей среды:
     • высокая относительная влажность, достигающая 100 % при температуре воздуха +40 °C, наличие капежа и сильная обводнённость горных выработок;
     • большая химическая агрессивность шахтной атмосферы, содержащей окислы серы и азота, сероводород, углекислый газ и воды, имеющей естественную кислотную или щелочную реакцию;

9

     • высокая запылённость воздуха, приводящая к оседанию пыли на оболочках электрооборудования и проникновение ее внутрь оболочек.
     Эти факторы вызывают повышенный нагрев электрооборудования, ускоренное старение изоляции, смазочных и резиновых материалов, коррозию металлических частей. Вследствие влияния указанных факторов снижается сопротивляемость организма человека действию электрического тока.
     4.     Постоянное или периодическое перемещение или передвижение машин и электроустановок, обусловленное технологией ведения горных работ, приводит к значительным механическим воздействиям на объекты электрооборудования, необходимости их многократного монтажа и демонтажа в стеснённых подземных условиях, что снижает ресурс последних.
     5.     Повышенные вибрационные или ударные нагрузки (при доставке или жёсткой стыковке электрооборудования с корпусами горных машин) вызывают отказы различных элементов электроустановок, ослабление затяжки креплений их силовых шин.
     6.     Влияние биологических факторов. При высокой температуре и влажности на изоляции и металлических частях электрооборудования возможно образование плесени, грибков и т.д., снижающих его надёжность и безопасные свойства.
     7.     Плохая освещённость работ затрудняет выполнение качественного монтажа и ремонта электрооборудования, надлежащего надзора за его работой.
     8.     Специфические условия трудовой деятельности горнорабочих связаны с физическими перегрузками, наличием личного снаряжения, требуемого по условиям безопасности, обусловливают необходимость выполнения работ в позах, неестественных для человека (лежа или на коленях). Это приводит к нарушению точности, замедлению движений, ослаблению внимания к опасностям.
     9.     Непрерывная работа установок, обеспечивающих безопасные условия труда в шахте (вентиляторные, водоотливные и подъёмные установки, а также подстанции и распределительные пункты, от которых они питаются).
     Безопасность эксплуатации электроустановок на шахтах обеспечивают соответствующими техническими решениями их конструкций, высоким качеством изоляции (в соответствии с нормативными документами), квалифицированным монтажом, обслуживанием, ре

10

монтом и эксплуатацией [5, 6, 7]. В электроустановках, как на поверхности, так и в шахте применяют следующие общие организационные и технические защитные меры.
     1.     Обеспечение недоступности, исключение случайного прикосновения к токоведущим и нетоковедущим частям электрооборудования.
     2.     Размещение электрооборудования во взрыво- и пожаробезопасных помещениях и камерах.
     3.     Защита электрооборудования от механических повреждений и воздействия агрессивной атмосферы.
     4.     Применение пониженного напряжения в электрооборудовании, с которым часто соприкасается человек (ручной электроинструмент; цепей дистанционного управления пускателями; цепи сигнализации, автоматики, и т.п.).
     5.     Применение высококачественной изоляции токоведущих частей и изолирование участков корпусов электрооборудования, с которыми человек соприкасается в процессе работы (рукоятки электроаппаратов; тыльные части ручных электросвёрл).
     6.     Контроль и профилактика повреждений изоляции.
     7.     Обособленное (раздельное) питание электросетей.
     8.     Компенсация ёмкостного тока замыкания на землю.
     9.     Защитные заземление и зануление электроустановок.
     10.      Применение средств защитного отключения от аварийных и ненормальных режимов работы электрооборудования.
     11.      Осуществление организационно-технических мероприятий при выполнении работ в электроустановках: допуск к работе лиц прошедших специальное обучение и стажировку на рабочем месте и имеющих соответствующую квалификационную группу по технике безопасности; определённый порядок выполнения работ в электроустановках (по нарядам, устным распоряжениям, в порядке текущей эксплуатации); применение индивидуальных средств защиты (изоляционных штанг, указателей напряжения, диэлектрических перчаток, подставок, ковриков и т.д.).
     Специфические условия эксплуатации обусловили применение специального рудничного электрооборудования, обеспечивающего электро- и пожаробезопасность, а в выработках, опасных по газу или пыли, - требуемый уровень взрывозащиты.

11

    1.2 НОРМАТИВНАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
ПО ПРИМЕНЕНИЮ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

    Задачи обеспечения высокопроизводительной, надёжной и безопасной работы электроустановок при их эксплуатации требуют системного, комплексного подхода к решению взаимосвязанных задач по выбору, размещению и взаимодействию оборудования на стадиях проектирования, монтажа, наладки, технического обслуживания, ремонта и эксплуатации. Для решения этих вопросов имеется система правил, норм и положений, приводимых в нормативной документации. Она подразделяется на общеотраслевую и отраслевую. Требования общеотраслевых нормативных документов обязательны к применению во всех электроустановках на поверхности горных предприятий, а в подземных выработках, - если требования этих документов не противоречат отраслевым правилам. Кроме этих документов на предприятиях разрабатывают инструкции и положения с учётом условий и возможностей конкретного предприятия. Они уточняют, расширяют и конкретизируют требования нормативных документов применительно к определённым установкам и видам выполняемых работ. Ниже приведена характеристика основных нормативных документов.
    Правила устройства электроустановок (ПУЭ). В этих правилах приведены термины, определения и классификация электроустановок и электроприёмников. В ПУЭ подробно изложены требования по выбору, области применения и устройству электропроводок, токопрово-дов, кабельных и воздушных линий электропередачи, распределительных устройств и подстанций, устройств защиты и автоматики, электросиловых установок и электрического освещения, а также специальных электроустановок, в том числе, во взрыво- и пожароопасных зонах. Для всего основного электрооборудования установлены объем, виды и нормы приёмосдаточных испытаний, порядок проведения и оформления результатов испытаний.
    Строительные нормы и правила СНиП устанавливают основные требования к организации, проектированию, производству и приёмке строительных и монтажных работ. Кроме этого (СНиП 3.05.06-85 «Электротехнические устройства»), в них приведены основные положения по хранению электрооборудования, подготовке и сдаче объектов под монтаж, распределению работ между электромонтажными и другими специализированными организациями, порядку выполнения электромонтажных работ, передаче электрооборудования

12

под наладку и представлению документации к приёму рабочей комиссией.
     Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей (ПТЭ) определяют: задачи и обязанности персонала по эксплуатации электроустановок и требования к нему, порядок выполнения работ при эксплуатации и ремонте электрооборудования общего назначения и специальных электроустановок, сроки, объёмы и нормы испытания электрооборудования, находящегося в эксплуатации.
     Правила безопасной эксплуатации электроустановок потребителей (ДНАОП 0.00-1.21-98) устанавливают: требования безопасного оперативного обслуживания и производства работ в электроустановках; порядок выполнения организационных и технических мероприятий; правила техники безопасности при обслуживании электродвигателей, коммутационных аппаратов комплектных распределительных устройств, линий электропередачи, проведении испытаний оборудования и измерений и др.
     Специфические особенности функционирования электрооборудования в горных выработках, учитываются и регламентируются Правилами безопасности (ПБ) и Правилами технической эксплуатации угольных шахт (ПТЭУ).
     Эксплуатационные документы предназначены для изучения изделия и правил его эксплуатации. Они рассчитаны на обслуживающий персонал, имеющий специальную подготовку. Как правило, эксплуатационные документы включают: техническое описание (ТО), инструкцию по эксплуатации (ИЭ), инструкцию по техническому обслуживанию (ИО), инструкцию по монтажу, пуску, регулированию и обкатке изделия на месте его применения (ИМ), формуляр (ФО), паспорт (ПС), ведомости запасных частей, инструментов и приспособлений (ЗП).
     Ремонтные документы - это рабочие конструкторские документы для подготовки ремонтного производства, ремонта и контроля изделия после ремонта. Они составляются раздельно на текущий, средний и капитальный ремонты. В них могут быть включены правила и указания по устранению аварийных повреждений.
     Проекты систем электроснабжения и электроустановок. Основная цель разработки таких проектов - обеспечение бесперебойной, высокопроизводительной, надежной и безопасной их эксплуатации. В этих проектах решаются вопросы, связанные с рациональным выбором и размещением электрооборудования, функциональным

13