МІНІСТЕРСТВО ПАЛИВА ТА ЕНЕРГЕТИКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ

МАКІЇВСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ ІНСТИТУТ

З БЕЗПЕКИ РОБІТ У ГІРНИЧІЙ ПРОМИСЛОВОСТІ

(МакНДІ)

ДІДЕНКО Віктор Васильович

УДК 622.232.83-52

УДОСКОНАЛЕННЯ ЗАХОДІВ БЕЗПЕКИ УПРАВЛІННЯ ЗАБІЙНИМИ МАШИНАМИ В УМОВАХ ВПЛИВУ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ СИЛОВИХ МЕРЕЖ

Спеціальність 05.26.01-„Охорона праці”

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка-Донбас

2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Державному Макіївському науково-дослідному інституті з безпеки робіт у гірничій промисловості (МакНДІ) Міністерства палива та енергетики України (м. Макіївка).

Науковий керівник

- доктор технічних наук, професор Колосюк Володимир Петрович, Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості (МакНДІ) Міністерства палива та енергетики України (м. Макіївка), головний науковий співробітник.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Ковальов О.П., Донецький національний технічний університет (ДонНТУ) Міністерства освіти і науки України (м. Донецьк), завідувач кафедри електропостачання промислових підприємств і міст;

- кандидат технічних наук Бабков С.В., Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості (МакНДІ) Міністерства палива та енергетики України (м. Макіївка), завідувач лабораторії відділу рудникового транспорту та підйому.

Провідна установа - Національний гірничий університет, кафедра охорони праці Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ).

Захист відбудеться “11” лютого 2005 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д12.834.01 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 ознайомитися в бібліотеці МакНДІ за адресою: 86108, м. Макіївка, вул. Лихачова, 60.

Автореферат розісланий " 6 " січня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

Д12.834.01, кандидат технічних наук Алаб’єв В.Р.

Загальна характеристика роботи.

Актуальність роботи. Забезпечення безпеки робіт на вугільних шахтах належить до важливої соціальної проблеми державної діяльності. Одним з напрямків підвищення безпеки експлуатації забійних машин і комплексів у шахтах є розробка та впровадження для них надійних систем управління. Аналіз травматизму під час експлуатації забійних машин показав, що через недосконалість систем і схем управління стається 23% випадків травмування від загальної кількості нещасних випадків на таких машинах, у тому числі при їх самовключенні. Самовключення машин може бути наслідком впливу електрорушійної сили (ЕРС) у допоміжних жилах, яка формується електромагнітним полем силових кіл живильного кабелю. Для підвищення заходів безпеки за таких умов потрібно вивчити фізичні основи формування ЕРС, вплив її на безпеку забійних машин із урахуванням побудови системи електропостачання й управління, електричних та конструктивних параметрів кабелю й на цій основі розробити заходи підвищення безпеки експлуатації забійних машин. Підвищення заходів безпеки є важливим науково-технічним завданням і визначає актуальність теми дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Роботу виконано в межах планових науково-дослідних робіт МакНДІ: “Розробити гнучкі силові кабелі нового технічного рівня з параметрами вибухопожежобезпеки”, № держ. реєстрації 0102U007398, і “Розробити та впровадити апаратуру управління забійними машинами (АУЗМ)”, № держ. реєстрації 0182.0074529. У зазначених роботах автор брав участь як відповідальний виконавець.

Мета роботи - установлення закономірностей формування ЕРС у схемах управління забійними машинами, викликаної електромагнітним полем струмів навантаження, удосконалення заходів безпечної експлуатації машин у шахтах.

Для досягнення поставленої мети визначено такі задачі:

- оцінити безпеку системи управління забійними машинами з урахуванням сукупності випадкових подій, що виникають під час експлуатації цих систем у шахтах;

- установити фактори та їх значущість у формуванні наведеної ЕРС у колах управління забійними машинами;

- оцінити ємність та індуктивність допоміжних жил у силовому кабелі як факторів, що сприяють формуванню ЕРС у колах управління;

- визначити вплив наведеної ЕРС на захисні функції та іскробезпеку схем управління забійними машинами й розробити заходи безпечної експлуатації машин у шахтах.

Об'єкт досліджень – процеси електромагнітного впливу силових кіл системи електропостачання на кола управління забійної машини.

Предмет досліджень – заходи запобігання впливу ЕРС на умови безпеки забійних машин

Методи досліджень. У роботі використано аналітичні та експериментальні методи дослідження, аналізу електричних кіл, математичного моделювання небезпечних станів системи управління із застосуванням обчислювальної техніки, закони електротехніки, теорія ймовірностей і математична статистика.

Вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується коректним застосуванням основних теоретичних методів і методів, заснованих на експериментальних дослідженнях, задовільною збіжністю розрахункових та експериментальних значень наведеної ЕРС у заземлюючій і допоміжних жилах кіл управління (похибка не перевищує 11%), а також позитивними результатами промислових випробувань забійних машин із системами управління, виконаними з урахуванням розроблених у дисертації вимог.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що розкрита сутність процесу наведення ЕРС від силового кола в колах управління забійними машинами, установлені небезпечні фактори і їх значущість, оцінено вплив наведеної ЕРС на захисні функції та іскробезпеку схем управління машинами, а також основні наукові положення, що виносяться на захист та їх новизна:

1. Набуло подальшого розвитку уявлення про формування травми як події, що виникає в результаті одночасного збігу небезпечних станів системи управління й перебуванням людини в небезпечній зоні дії машини, визначена логіко-імовірнісна модель такої небезпеки, що дозволяє оцінити рівень безпечної експлуатації машини.

2. Уперше одержана математична модель процесу наведення ЕРС у колах управління забійними машинами, яка відрізняється багатофакторним обліком схемних, експлуатаційних і конструктивних параметрів системи електропостачання й кабелю, що дозволяє обґрунтувати та розвинути уявлення про фізичну сутність процесу формування ЕРС у колах управління й оцінити внесок кожного фактора в забезпечення безпеки експлуатації машин.

3. Удосконалене уявлення про вплив ЕРС на схеми управління, яке полягає в тому, що в схемі управління відбувається збільшення чи зменшення результуючої напруги залежно від початкової фази вектора ЕРС щодо вектора напруги джерела живлення, що призводить до самовключення машини або неможливості її включення й роботи.

4. Уперше одержана залежність імовірності запалення воднево-повітряної суміші від параметрів, які формують наведену ЕРС у колах управління машин, ця залежність має вигляд прямої лінії в напівлогарифмічних координатах “імовірність - довжина кабелю”, що дозволяє визначати умови іскробезпеки схем управління.

Практичне значення роботи полягає в розробці вимог безпеки й заходів, реалізованих при створенні та модернізації пристроїв управління й конструкції кабелю, які забезпечують підвищення захисних властивостей, надійності функціонування схеми управління забійними машинами й безпеки людей під час експлуатації машин.

Основні практичні результати включено до "Нормативів з безпеки забійних машин, комплексів та агрегатів" і "Технічних вимог до рудникового вибухозахищеного електрообладнання з силовими напівпровідниковими приладами напругою до 1140В" і використано під час розроблення “Апаратури зв'язку, сигналізації та управління забійними машинами АЗСУ”, “Апарата управління забійними машинами АУЗМ”, “Комплексу технічних засобів автоматизації та управління очисним вузькозахватним комбайном УКН 400” і технічних завдань на кабелі силові гнучкі екрановані шахтні типів КГШЭР 6х70+1х10+3х4 і КГЭШР 3х70+3х35+1х10+3х4.

Соціальна значущість результатів роботи полягає в зниженні травматизму від забійних машин за умови реалізації результатів дисертаційної роботи в системах управління забійними машинами.

Особистий внесок здобувача полягає в розробленні багатофакторної математичної та логіко-імовірнісної моделей і номограми, які встановлюють залежність між наведеною ЕРС у колах управління та схемними, експлуатаційними факторами й дозволили обґрунтувати фізичну сутність процесу формування ЕРС, якісно та кількісно оцінити значення факторів; у встановленні залежності ймовірності запалення воднево-повітряної суміші від параметрів наведеної ЕРС у колах управління, що дозволило оцінити рівень їх іскробезпеки, а також у обґрунтуванні заходів для запобігання впливу названої ЕРС.

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічній конференції молодих фахівців, присвяченій 60-річчю заснування інституту "Південьдіпрошахт" (м. Харків, 1985р.), на зустрічі фахівців вугільної промисловості за темою ”Обмін досвідом використання на шахтах очисних комплексів підвищеного технічного рівня” (Москва,1988р.), на Другому Міжнародному симпозіумі “БЕЗПЕКА ЖИТТЄДІЯЛЬНОСТІ У ХХl столітті” (м. Дніпропетровськ, 2002р.), на науково-практичній конференції „Шляхи підвищення безпеки гірничих робіт у вугільній галузі” (Макіївка, 2004р.) і на інших конференціях.

Публікації. З теми дисертації опубліковано 15 робіт, у т.ч. 12 статей у фахових наукових журналах і збірниках, рекомендованих ВАК України. Опубліковано без співавторів 5 робіт. Одержано одне авторське свідоцтво на винахід.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 6 розділів і висновку. Вона має 132 сторінки машинописного тексту, включаючи 27 рисунків, 10 таблиць, список використаної літератури з 91 найменувань й 4 додатків на 7 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, визначено її мету, задачі, викладено основні наукові положення та результати, що виносяться на захист. Показана їх новизна й практичне значення результатів роботи. Наведено відомості про апробацію роботи й публікацію матеріалів дослідження.

У першому розділі розглянутий об'єкт дослідження, що являє собою складну систему електропостачання та управління машинами очисного забою вугільної шахти. Управління забійними машинами здійснюється з використанням заземлюючої і допоміжних жил силових кабелів. Розташування в безпосередній близькості силових кіл і кіл управління призводить до їх взаємного впливу. Виконаний огляд публікацій з теми дисертації показав таке. Уперше в гірничій практиці вивчення електромагнітного впливу силового кола на коло контролю заземлення забійними машинами було виконано Суміним І.Ф. Ним розглянуто питання наведення ЕРС у заземлюючій жилі гнучкого кабелю й обґрунтовано розташування заземлюючої жили у центрі звивки силових жил. Наступні дослідники Сичов Л.І., Митрофанов М.І., Реут В.П., Цапенко Є.Ф., Фрадкін Б.М., Озерной М.І., Демидов В.Я. показали, що усталені значення ЕРС, які наводяться в контурі заземлення пересувної забійної машини, є іскробезпечними. Ними не розглянуто умови формування наведеної ЕРС у допоміжних жилах різних звивок кабелю, електрично з'єднаних між собою і з заземлюючою жилою під час управління забійними машинами. Не встановлено фактори, які впливають на формування ЕРС у схемах управління і їх значущість, і не визначено вплив наведеної ЕРС на порушення функціонування схем управління. Не врахований той факт, що відповідно до вимог п.1.1.2 ГОСТ 22782.5 Електрообладнання вибухозахищене з видом захисту “Іскробезпечне електричне коло” коефіцієнт іскробезпеки схем управління повинен бути не нижче 1,5 у нормальному режимі роботи електрообладнання. Не розглянуті питання ємнісного зв'язку допоміжних жил у живильному кабелі. Розв'язання цих питань є задачами представленої роботи.

Другий розділ присвячено оцінці умов безпеки системи управління забійними машинами з урахуванням сукупності подій, що виникають при експлуатації, і ефективності застосовуваних технічних засобів системи управління. Виконані наукові дослідження, аналіз травматизму й досвід експлуатації технічних засобів управління дозволили виділити в системі управління такі фактори: перебування схеми управління під напругою, вплив блукаючого струму, імпульсне коливання напруги живлення, індуктивний вплив ЕРС силового кола й інші, проявлення котрих може призвести до самовключення схеми управління, а в разі перебування людини в небезпечній зоні - до її травмування робочими органами чи корпусом комбайна. На підставі розгляду причинно-наслідкового зв’язку подій у факторному просторі складено логіко-імовірнісну модель реалізації причин самовключення схеми управління й небезпеки травмування людини, яка знаходиться в небезпечній зоні. Одержано математичну модель (1), що дозволяє кількісно оцінити ймовірність нещасного випадку (Рнс )під час управління або обслуговування комбайну:

Рн.с.= Р9[6Р1+(1 - Р1) (3Р2+Р3+Р4+Р5+Р6+Р7+Р8) - (Р2+Р4+Р5) (Р3+Р4+Р5)], (1)

де Р1 ч ?9 – імовірності вимкнення небезпечних факторів.

При визначенні ймовірностей, що входять у модель (1), ураховано статистичні дані з випадкових величин, які одержані під час шахтних і лабораторних досліджень.

Аналіз травматизму й результати досліджень людино-машинного комплексу показали, що ефективність функціонування технічних засобів і в цілому рівень безпеки під час управління та обслуговування забійних машин слід вважати низьким (імовірність безпечної експлуатації Q = 1-Рн.с.= 0,74). Для його підвищення необхідно забезпечити зниження ймовірностей небезпечних подій, у тому числі усунути вплив наведеної ЕРС і інших факторів на безпечні властивості системи управління забійними машинами.

Третій розділ присвячений дослідженню електричних параметрів гнучких силових кабелів (рис. 1). Силові (1) і допоміжні (2,3) жили в конструкції кабелю можна розглядати як сукупність елементів електричного кола у вигляді розподілених по довжині електричних і магнітних зв'язків, утворюваних конденсаторами (С), власною індуктивністю (L) жил і взаємною індуктивністю (М) розглядуваних контурів кабелю.

Рис. 1. Схема заміщення кабелю в системі електропостачання забійної машини

Виконані експериментальні дослідження дозволили установити фактичні співвідношення ємностей у кабелі. Вихідними даними для розв’язання поставленої задачі було статистичне вибирання даних, одержаних за результатами вимірювання на шахтах Донбасу й на заводі–виготовнику кабелів. Банк даних з цього параметра оброблено методами математичної статистики на обчислювальній машині (ОМ), підтверджено лінійну залежність ємності від довжини кабелю. Під час моделювання на ОМ довжини (?к) кабелю, еквівалентного перерізу (rэкв) жил, відстані між їхніми центрами (d) одержана експоненціальна математична залежність фактичних значень ємності від фізичних параметрів (2):

(2)

Визначено емпіричні коефіцієнти (а, b) для конкретних марок кабелів (для кабелю КГЭШ 3х35+1х10+3х2,5 а = 1,0069, b = – 3,7854).

Експериментальні дослідження показали, що значення ємності допоміжних жил значно менші за ємність силових жил кабелю. Якщо врахувати, що розподіл напруги між послідовно з'єднаними конденсаторами відбувається в обернено пропорційній залежності, то пояснено формування коротких імпульсів високої напруги в колі управління забійними машинами при комутації в силових колах, а також при застосуванні тиристорних перетворювачів. Наведення імпульсних напруг унаслідок ємнісних зв'язків у кабелі становить небезпеку для електронних елементів схеми управління й може викликати порушення функціонування схеми управління. У роботі запропоновано запобігати впливові наведених імпульсів шляхом застосування стабілізації напруги живлення схеми управління, наприклад за допомогою сапресорів, які “зрізують” імпульси напруги.

Четвертий розділ присвячено дослідженню умов формування наведеної ЕРС (ен). Експериментальні дослідження дозволили визначити фактори, такі як робочий струм силового кола Iд (х1), довжина кабелю ?к (х2), вхідний опір схеми управління Rвх (х3), опір лінії управління Rл (х4), зміна яких визначає вплив наведеної ЕРС на схему управління. Розроблена багатофакторна математична модель (3) дозволила оцінити вагомість впливу експлуатаційних та конструктивних параметрів системи електропостачання (управління) забійними машинами, установити залежність між наведеною ЕРС і факторами, що впливають (х1, х2, х3, х4), за значеннями коефіцієнтів і знакам “плюс - мінус”.

ен = 1,5596 + 877х1+355х2+62х3 - 51х4+0,25Ч106х1х2+0,34Ч106х1х3+ +0,028Ч106х1х4+0,18Ч106х2х3+0,026Ч106х3х4+1,5Ч106х2х4+101Ч Ч106х1х2х3+7,98Ч106х1х2х4+14,8Ч106х1х3х4+7,8Ч106х2х3х4+4496Ч

Ч106х1х2 х3х4. (3)

Установлено, що на формування ЕРС, яка індукується, у колах управління забійними машинами, переважно діє робочий струм силового кола й довжина кабельної лінії. Ці фактори є визначальними в досліджуваному процесі, збільшення значень таких факторів викликає збільшення наведеної ЕРС.

Поздовжній опір кабельної лінії хоч і сприяє зниженню наведеної ЕРС (має знак “мінус”), однак дія його в цьому процесі невелика, про що свідчить дуже мале значення коефіцієнта при змінній х4.

У схемах управління забійними машинами можуть використовуватися дві допоміжні жили однієї звивки, дві допоміжні жили різних звивок жил кабелю або одна допоміжна та заземлююча жили. У роботі показано, що наведена ЕРС у кожній допоміжній жилі гнучкого силового кабелю є результатом одночасної дії магнітних потоків, створюваних струмами трьох силових жил, тобто в кожній жилі формується потенціал (наприклад: еж, еа, ег, ез), а в двопровідному колі управління, складеному з допоміжних жил різних звивок, симетрично розташованих між силовими жилами кабелю (наприклад, КГЭШУ3х50+3(3х2,5) +1х10, рис. 2), наводяться ЕРС

Рис. 2. Конструкція гнучкого силового кабелю КГЭШУ 3х50+3(3х2,5)+ +1х10,

де: 1,2,3 – силові жили; а,б,в; г,д,е; ж,и,к – звивки допоміжних жил; з – заземлююча жила

як різниця потенціалів (наприклад, ежа, егж, ежз), які залежать від амплітудного значення струму силового кола Iт (струму двигуна Iдт), частоти мережі (щ), ?оефіцієнта взаємної індуктивності (М) і які відрізняються зсувом по фазі на кут ??, а саме:

(4)

У двопровідному колі управління, складеному з допоміжної та заземлюючої жил, наводиться ЕРС, яка відрізняється початковою фазою порівняно з вищезазначеною комбінацією жил, але між собою напруги Uаз, Uгз, Uжз також зсунуті за фазою на кут ??:

(5)

У колі, складеному з допоміжних жил однієї звивки, наведена ЕРС дорівнює нулю, тому що жили знаходяться в еквіпотенціальному полі.

Наведена ЕРС має синусоїдальну форму з частотою, яка дорівнює частоті силового кола (?). У роботі встановлено, що величина ЕРС прямо пропорційна струмові в основних жилах, довжині кабелю (рис. 3) і залежить від конструкції кабелю.

Рис. 3. Номограма значень наведеної ЕРС (ен) від довжини кабелю (?к) і величини струму силового кола(Iд)

Одержані результати показують, що при довжині кабелю для забійних машин, яка дорівнює 300 м, і максимальному значенні пускового струму (Iд) двигуна 1200 А напруга від наведеної ЕРС у розімкнутому контурі, складеному з допоміжної та заземлюючої жил або жил різних звивок, складає 6,4 В. У загальному вигляді середнє значення за період (Т) наведеної ЕРС можна зобразити так:

, (6)

де ?0- діелектрична стала; r3, r1 – відповідно максимальна та мінімальна відстань розглянутої допоміжної жили від силових; А і В – тимчасові межі інтегрування функції sin(щt).

При використанні допоміжних жил кабелю в колах управління забійними машинами напруга живлення схеми управління (Uп) складається з наведеною ЕРС (eн). Якщо врахувати, що початкова фаза напруги схеми управління залежить від варіанта підключення однофазного трансформатора апаратури управління до фаз силового живлення, а початкова фаза напруги наведеної ЕРС залежить від вибраної пари допоміжних жил кабелю під час монтажу, то результуючу напругу (Uр) у колі управління можна зобразити залежністю:

Uр= Uп+ к eн , (7)

де к - коефіцієнт, що враховує взаємне розташування векторів ен і Uп, тобто початкову фазу наведеної ЕРС відносно напруги Uп, як це показано на рис. 4. Коефіцієнт к змінюється від -1 до +1.

Рис. 4. Векторні діаграми результуючої напруги живлення в колах управління (UP; UP' ): ежз…егж - ЕРС, яка формується в допоміжних жилах ж-з…г-ж при можливих варіантах використання пар допоміжних жил кабелю; UАВ…UСВ – лінійні напруги живлення схеми управління при можливих варіантах увімкнення трансформатора, що живить апаратуру управління.

Напруга наведеної ЕРС змінює середнє значення напруги в колах управління машинами, потрібне для спрацьовування виконавчого елемента (реле), як у бік збільшення, так і в бік зменшення, що може призвести до самовключення, виключення раніше включеної схеми чи неможливості її включення.

У роботі показано, що струм у виконавчому реле схеми управління, зумовлений параметрами схеми управління й наведеної ЕРС, визначається за формулою:

, (8)

де А1, В1 – межі інтегрування напруги живлення схеми управління; А2, В2 - межі інтегрування наведеної ЕРС; Rл, Rр – опори відповідно колу управління й реле; Rвн - внутрішній опір схеми управління.

За результатами математичного моделювання в роботі одержано номограму (рис. 5), яка дозволяє оцінити безпеку системи електропостачання та управління забійними машинами за схемними та експлуатаційними факторами на стадії проектування.

Рис. 5. Номограма, що встановлює залежність допустимої довжини живильного кабелю від струму двигуна для типових значень напруги живлення схеми управління, при яких не відбувається її самовключення та порушення функціонування з урахуванням ЕРС. (Наприклад, при Uп = 15 В і Iд = 900 А допустима довжина кабелю ?к = 160 м. Якщо з умов гірничих робіт потрібна більша довжина кабелю, то слід застосувати апарат управління з більшим Uп.)

П'ятий розділ присвячено розглядові умов, за яких можливі порушення параметрів іскробезпеки кіл управління під час впливу наведеної ЕРС. Порушення іскробезпеки кіл управління в роботі показано при випробуванні блока управління магнітного пускача ПМВИ-61. Оскільки величина наведеної ЕРС прямо пропорційна довжині живильного кабелю, установлювалася ймовірність запалення вибухової суміші (Р) залежно від довжини кабелю (lк). Воднево-повітряна суміш застосовувалася замість метано-повітряної згідно з п. 2.8.9 ГОСТ 22782.5, оскільки в реальній системі електропостачання не можна було збільшувати напругу живлення (або струм) у 1,5 разу.

За результатами виконаних автором експериментів, проведених на реальній моделі системи електропостачання забійних машин при змінній довжині кабельної лінії, пускових струмах двигуна 660А на спеціальній вибуховій камері з використанням уніфікованого іскротвірного механізму першого типу (згідно з ГОСТ 22782.5), одержано залежності ймовірності запалення воднево-повітряної суміші в колах управління забійними машинами від довжини силового кабелю (рис. 6).

Рис. 6. Імовірність запалення воднево-повітряної суміші від параметрів наведеної ЕРС у колах управління: 1,2 – для контуру, складеного відповідно з трьох паралельно підключених допоміжних жил і заземлюючої жили і однієї допоміжної та заземлюючої жил без блока управління магнітного пускача (без напруги живлення); 3,4 - те ж для контуру 1,2 із підключеним блоком управління магнітного пускача (БУ).

Одержані залежності показують, що: а) зі збільшенням довжини кабельної лінії збільшується ймовірність запалення вибухової суміші; б) залежність імовірності запалення від довжини кабельної лінії має вигляд прямої; в) при довжині кабельної лінії більше 350м імовірність запалення перевищує значення 10 –3, тобто умови іскробезпеки створюються тільки при довжині силового кабелю до 350м; г) під час увімкнення контуру, складеного з допоміжної та заземлюючої жил, до блока управління магнітного пускача (БУ) запальна здатність наведеної ЕРС знижується (залежності 3 і 4). Це пояснюється значним зниженням струму у контурі індуктивної врівноваженості; із порівняння залежностей 1(три жили з’єднані паралельно одна з одною) і 2 (одна жила) видно, що зі збільшенням перерізу жил при тій самій довжині кабелю відбувається збільшення струму в замкненому контурі й у цьому разі ймовірність запалення зростає.

У контурі, складеному з допоміжних жил однієї звивки, додаткове джерело практично не формується через те, що ці кола знаходяться в еквіпотенціальному полі. Іскробезпека такого кола під дією електромагнітного поля силового кола не порушується.

Шостий розділ присвячений обґрунтуванню розроблених вимог до силових кабелів, таких як розташування заземлюючої і допоміжних жил у еквіпотенціальному полі, вимог до апаратів управління, таких як стабілізація напруги з боку підключеної кабельної лінії з використанням сапресорів і відновних напівпровідникових запобіжників, виконання захисних функцій схем управління з урахуванням наведеної ЕРС, і інших вимог, включених до нормативних документів з безпеки забійних машин та комплексів.

ВИСНОВОК

У дисертаційній роботі дано розв’язання актуальної наукової задачі встановлення закономірностей формування ЕРС у схемах управління забійними машинами, зумовленої електромагнітним полем струму навантаження, і обґрунтування шляхів удосконалення заходів безпеки при експлуатації машин, що має важливе соціальне значення для вугільної промисловості.

Основні результати виконаної роботи полягають у такому:

1. Показано, що вплив силових кіл навантаження на коло управління проявляється в наведенні в колах управління забійними машинами синусоїдальної ЕРС, обумовленої взаємною індуктивністю жил, і коротких імпульсів, зумовлених ємнісними зв'язками між силовими та допоміжними жилами кабелю.

2. Визначена логіко-імовірнісна модель небезпеки травмування людей робочими органами та корпусом забійної машини під час її самовключення й перебування людини в небезпечній зоні, яка дозволяє оцінити рівень безпечної експлуатації машин у шахтах. Показано, що ймовірність безпечної експлуатації знаходиться на рівні 0,74, що не можна визнати достатнім, і потрібно вжити заходів щодо зниження ймовірності небезпечних факторів, у тому числі усунути вплив наведеної ЕРС.

3. Показано, що наведена струмами силових кіл ЕРС у колах управління забійними машинами є однією з причин їх самовключення й небезпеки травмування обслуговуючого персоналу робочими органами, а також порушення іскробезпеки схеми управління. Наведені імпульси напруги можуть призводити до виходу з ладу функціональних елементів схем управління.

4. Одержані математичні моделі, що дозволяють установити залежність наведеної ЕРС у колах управління від електричних параметрів системи електропостачання, конструкції кабелю, вхідного опору схеми управління й опору лінії управління, і дають можливість оцінити рівень ЕРС для конкретної системи електропостачання забійної машини і значущості факторів, які впливають. Показано, що наведена ЕРС прямо пропорційна струмові навантаження приводу машини й довжині живильного кабелю. При реальних струмах навантаження й довжинах кабелів наведена ЕРС може перевищувати 6,4 В, а імпульси, що наводяться, у момент комутації силових кіл через ємнісні зв'язки можуть складати сотні вольтів.

5. Показано, що наведена ЕРС може змінювати результуючу напругу схем управління й призводити до самовключення машин або до порушення функціонування схеми управління. Одержано математичні залежності, що дозволяють визначити результуючі напруги та струм у схемах управління з урахуванням ЕРС.

6. Розроблено номограму, яка дозволяє вибрати параметри системи електропостачання на стадії проектування, при котрих забезпечується запобігання самовключенню машини й порушенню функціонування її схеми управління.

7. Уточнено залежність ємності між двома жилами силового кабелю, використовуваними в схемах управління, і показано, що для даної довжини кабелю вищезазначена залежність має вигляд експоненти, показник якої залежить від еквівалентного перерізу жил і відстані між ними. Запропоновано для усунення впливу імпульсів напруги, що наводяться, здійснювати стабілізацію схем управління також з боку підключеної кабельної лінії.

8. Одержано закономірності ймовірності запалення воднево-повітряної суміші наведеної ЕРС. Показано, що ймовірність запалення збільшується при збільшенні довжини живильного кабелю за прямою залежністю в напівлогарифмічній сітці координат, що дозволяє встановлювати допустиму довжину живильного кабелю згідно з умовами іскробезпеки схем управління.

9. За одержаними результатами розроблено заходи забезпечення безпеки управління забійними машинами в умовах електромагнітного впливу силових кіл на кола управління, які увійшли в нормативи безпеки забійних машин та комплексів і реалізовано у знову створюваній та модернізованій апаратурі управління й у конструкції живильних кабелів.

Основні публікації з теми дисертації

1.

Здобувачем запропоновано логіко-імовірнісну модель, що розкриває умови самовключення схеми управління й травмування обслуговуючого персоналу.

2.

Здобувачем запропоновано аналітичні залежності, що дозволяють здійснити оцінку ефективності функціонування засобів управління.

3.

Здобувачем обґрунтована залежність наведеної ЕРС у колах управління забійними машинами від експлуатаційних і схемних факторів.

4.

Здобувачем визначена концепція безпеки експлуатації забійних машин.

5.

Здобувачем установлено математичну модель, що розкриває залежність наведеної ЕРС у колах управління від факторів, що впливають.

6.

Здобувачем на підставі статистичного зібрання даних вимірювань одержана емпірична залежність значень ємності допоміжних жил.

7.

Здобувачем обґрунтовані вимоги безпеки до системи електропостачання та управління забійними машинами.

8.

Здобувачем визначена залежність імовірності запалення воднево-повітряної суміші від параметрів наведеної ЕРС.

9.

Здобувачем експериментально показано вплив наведеної ЕРС на безпеку управління забійними машинами.

10.

Здобувачем обґрунтовано вихідні вимоги до схем управління забійними машинами.

11.

Здобувачем обґрунтовна актуальність роботи.

12.

Здобувачем обґрунтовано фактори, що сприяють формуванню наведеної ЕРС у колах управління.

13.

Здобувачем запропоновано з метою зниження наведеної ЕРС у колах управління розташувати контрольну та заземлюючу жили в центрі звивки силових жил.

14.

Здобувачем розроблено вимоги до системи електропостачання із силовими напівпровідниковими приладами й схем управління забійними машинами в умовах впливу ЕМП силового кола.

15.

Здобувачем розроблено вимоги до схем управління забійними машинами в умовах впливу ЕМП синусоїдального струму силового кола.

АНОТАЦІЯ

Діденко В.В. Удосконалення заходів безпеки управління забійними машинами в умовах впливу електромагнітного поля силових мереж. 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, 2005.

Показано, що ймовірність безпечної експлуатації знаходиться на рівні 0,74, що не можна визнати достатнім.

Одержано математичні моделі, що дозволяють установити залежність наведеної ЕРС у колах управління від електричних параметрів системи електропостачання і управління забійними машинами та конструкції кабелю. Показано, що наведена ЕРС прямо пропорційна струмові навантаження приводу машини й довжині живильного кабелю. При реальних струмах навантаження й довжинах кабелів наведена синусоїдальна ЕРС може перевищувати 6,4 В, а імпульси, що наводяться у момент комутації силових кіл через ємнісні зв'язки, можуть складати сотні вольтів.

Розроблено заходи забезпечення безпеки управління забійними машинами в умовах електромагнітного впливу силових кіл на кола управління, що ввійшли в нормативи безпеки забійних машин і комплексів і реалізовані в знову створюваній і модернізованій апаратурі управління й у конструкції живильних кабелів.

Ключові слова: забійна машина, управління, кабель, дослідження, наведена ЕРС, вимоги безпеки.

АННОТАЦИЯ

Диденко В.В. Совершенствование мер безопасности управления забойными машинами в условиях воздействия электромагнитного поля силовых цепей. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.26.01-"Охрана труда". Государственный Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности (МакНИИ), г. Макеевка, 2005.

Анализ травматизма показывает, что по причине несовершенства систем и схем управления забойными машинами случаи травмирования составляют 23% от общего количества несчастных случаев на таких машинах, а также имеются случаи их самовключения. Самовключение машин может быть следствием влияния электродвижущей силы (ЭДС) во вспомогательных жилах, формируемой электромагнитным полем силовых цепей питающего кабеля.

Результаты исследований человеко-машинного комплекса показали, что эффективность функционирования технических средств и в целом уровень безопасности при управлении и обслуживании забойных машин находится на уровне 0,74, что нельзя признать достаточным, и необходимо принять меры по снижению вероятности опасных факторов, в том числе устранить влияние наведенной ЭДС и других факторов на безопасные свойства системы управления забойными машинами.

Показано, что наведенная токами силовых цепей ЭДС в цепях управления забойными машинами является одной из причин их самовключения и опасности травмирования обслуживающего персонала рабочими органами, а также нарушения искробезопасности системы управления. Наведенные импульсы напряжения могут приводить к выходу из строя функциональных элементов схем управления.

Получены математические модели, позволяющие установить зависимость наведенной ЭДС в цепях управления от электрических параметров системы электроснабжения, конструкции кабеля, входного сопротивления схемы управления и сопротивления линии управления, и дающие возможность оценить уровень ЭДС для конкретной системы электроснабжения забойной машины и значимости влияющих факторов.

Показано, что наведенная ЭДС прямо пропорциональна току нагрузки привода машины и длине питающего кабеля. При реальных токах нагрузки и длинах кабелей наведенная синусоидальная ЭДС может превышать 6,4 В, а короткие импульсы в момент коммутации силовых цепей из-за ёмкостных связей могут составлять сотни вольт.

Показано, что наведенная ЭДС может изменять результирующее напряжение схем управления и приводит к самовключению машин или к отказу функционирования схемы управления.

Получены математические зависимости, позволяющие определить результирующие напряжения и ток в схемах управления с учетом ЭДС.

Разработана номограмма, позволяющая выбрать параметры системы электроснабжения на стадии проектирования, при которых обеспечивается предотвращение самовключения машины и отказ в функционировании её схемы управления.

Уточнена зависимость емкости между двумя жилами силового кабеля, используемыми в схемах управления, и показано, что для данной длины кабеля она имеет вид экспоненты, показатель которой зависит от эквивалентного сечения жил и расстояния между ними. Предложено для исключения влияния наводимых импульсов напряжения осуществлять стабилизацию схем управления также со стороны подключения кабельной линии.

Получены закономерности вероятности воспламенения водородно-воздушной смеси от наведенной ЭДС. Показано, что вероятность воспламенения увеличивается при увеличении длины питающего кабеля по прямой зависимости в полулогарифмической сетке координат, что позволяет устанавливать допустимую длину питающего кабеля по условиям искробезопасности схем управления.

По полученным результатам разработаны меры обеспечения безопасности управления забойными машинами в условиях электромагнитного воздействия силовых цепей на цепи управления, вошедшие в "Нормативы по безопасности забойных машин, комплексов и агрегатов", "Технические требования к рудничному взрывозащищенному электрооборудованию с силовыми полупроводниковыми приборами напряжением до 1140В" и использованы при разработке “Аппаратуры связи, сигнализации и управления забойными машинами АССУ”, “Аппарата управления забойными машинами АУЗМ”, “Комплекса технических средств автоматизации и управления очистным узкозахватным комбайном УКН 400”, технических заданий на кабели силовые гибкие экранированные шахтные типов КГШЭР 6х70+1х10+3х4 и КГЭШР 3х70+3х35+1х10+3х4.

Ключевые слова: забойная машина, управление, кабель, исследования, наведенная ЭДС, требования безопасности.

ABSTRACT

Didenko V.V. Improving safe control of coal face machines effected by power circuit electromagnetic fields. Manuscript.

Thesis for the degree of Candidate of Science (Engineering) in speciality 05.26.01 “Labour protection.” State Makeevka Safety in Mines Research Institute (MakNII), Makeevka, 2005.

The investigations carried out show that the probability of safe operation is at 0.74, which cannot be sufficient.

Mathematical models have been obtained, enabling to relate induced electromotive force in control circuits with electrical parameters of supply system, cable design and coal face machine control. It has been demonstrated that electromotive force is proportional to load current of the machine drive and to supply cable length. Electromotive force can be 6.4 V with actual load current values and cable lengths while induced pulses at the moment of switching power circuits can be as high as hundreds of volts due to capacitance coupling.

Measures to provide safe operation of coal face machines under power circuit electromagnetic influence on control circuits have been developed. The measures have been included into safety normative documents for coal face machines and systems, and realized in novel and modified control apparatus and supply cable designs.

Key words: coal face machine, control, cable, investigations, induced electromotive force, safety requirements.

Діденко Віктор Васильович

УДОСКОНАЛЕННЯ ЗАХОДІВ БЕЗПЕКИ УПРАВЛІННЯ ЗАБІЙНИМИ МАШИНАМИ В УМОВАХ ВПЛИВУ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО ПОЛЯ СИЛОВИХ МЕРЕЖ.

( Автореферат)

Підписано до друку 22. 12. 04. Формат 30 ? 42/4.

Папір Captain. Ризографія. Умовн. друк. арк. 1,1.

Обліково-видавн. арк.. 1,1. Тираж 100 прим. Зам. № 354.

МакНДІ

86108, м. Макіївка Донецької обл.,

вул. Лихачова, 60.