ДОДАТОК 2
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ
державний вищий навчальний заклад
“ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ”
Чорноус Євген Віталійович
УДК 621.3:622
УДОСКОНАЛЕННЯ МЕТОДІВ ОЦІНКИ БЕЗПЕКИ
ЕЛЕКТРООБЛАДНАННЯ ДІЛЬНИЦЬ ВУГІЛЬНИХ ШАХТ В АВАРІЙНИХ
РЕЖИМАХ РОБОТИ МЕРЕЖІ
Спеціальність 05.26.01 – “Охорона праці”
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Донецьк 2007
Дисертацією є рукопис
Робота виконана в ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк.
Науковий керівник – доктор технічних наук, професор Ковальов Олександр Петрович, завідувач кафедри “Електропостачання промислових підприємств та міст” ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” Міністерства освіти і науки України, м. Донецьк.
Офіційні опоненти:
доктор технічних наук, професор
Колосюк Володимир Петрович, Донбаська Національна академія будівництва та архітектури, м. Макіївка, професор кафедри “Електротехніка і автоматика“;
кандидат технічних наук, доцент
Кобазєв Володимир Павлович, ДВНЗ “Донецький національний технічний університет”, м. Донецьк, доцент кафедри “Електричні системи та мережі“.
Провідна установа: Науково-дослідний інститут гірничорятувальної справи і пожежної безпеки “Респіратор” Міністерства палива і енергетики України, вчена рада інституту, м. Донецьк.
Захист відбудеться 15 червня 2007 р.
о 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д .052.05 ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, вчена рада інституту 1 навч. корп., ВАЗ).
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці ДВНЗ “Донецький національний технічний університет” (83000, м. Донецьк, вул. Артема, 58, II навч. корп.).
Автореферат розісланий “ 8 ” травня 2007 р..
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Д 11.052.05
доктор технічних наук, професор В.П. Кондрахін
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 /2000 “Підвищення ефективності систем електропостачання та електроспоживання“ і Д _“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:
1.
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”.
2.
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”.
3.
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”.
4.
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”.
5.
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.
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 – 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 RП чи опір тіла людини Rh, що виявилась під напругою. Паралельно цій групі елементів також між мережею і “землею“ через пристрій приєднання підключений компенсуючий дросель LД, RД, причому, компенсуючі кола відрізняються схемами фільтрів нульової послідовності (ФНП), які виконують функції пристроїв приєднання дроселя. У схемі з індуктивним ФНП (LF, RF на рис. 1б) дросель підключається через роздільний конденсатор СP.
Схема рис.1а в динаміці цілком визначена трьома змінними стану, які зв'язані наступною системою рівнянь:
;
; (1)
,
де iД , uА , uFА – миттєві значення змінних стану відповідно: струму дроселя, фазної напруги кабелю, фазної напруги ФНП;
e = Em·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 uср – 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 Підвищення напруги непошкоджених фаз до значення лінійного вважається “штатною” ситуацією., однак дозволило встановити функціональний зв'язок між струмом дроселя, струмом витоку, індуктивністю дроселя і ємністю мережі (рис. 2).
Схема керованого компенсуючого дроселя, виконаного на Ш _ подібному феромагнітному осерді, приведена на рис. 3. Його математичною моделлю є система наступних нелінійних рівнянь:
;
; (3)
;
,
де r, rос – активні опори обмоток дроселя;
H(B) – апроксимована крива намагнічування;
Bk = Фk / Sk – індукція в стержнях магнітопроводу (k = 0, 1, 2);
?k, Sk – довжина середньої лінії і переріз стержнів магнітопроводу;
дk - 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 Id(3) – діюче значення третьої гармоніки струму дроселя;
Ih(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 … )В той же час відхилення індуктивності дроселя на (10 … )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 – , 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:
1.
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.
2.
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.
3.
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 … .45 с.
Таким чином, загальна тривалість трьох етапів знаходиться в межах:
Дt? ? Дt1 + Дt2 + Дt3 ? 0.9 с … .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 tд) значення струму Iе , що протікає через тіло людини:
(5)
2. Кількість електромагнітної енергії Q, поглинутої тілом людиною за час дії струму, пов'язана з його опором Rh 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 Rh = 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 kе = 0.95 … .98 –коефіцієнт, що враховує відношення початкового значення ЕРС двигуна відносно фазної напруги мережі Uмах;
ТЕ , ТМ – відповідно електромагнітна і механічна постійні часу двигунів у стані вибігу, с;
sн – 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 ТМ 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 Iэкв(t); а також кількість електромагнітної енергії, поглинутої людиною, Qе(t).
Рис. 6. Розрахункова осцилограма миттєвого i(t), еквівалентного Iэкв(t) значень струму через тіло людини, а також кількості поглиненої електромагнітної енергії Qе(t) для трьох етапів аварійної ситуації (С = 0.75 мкФ, ТЕ = 1 с., ТМ = 2 с.. L/L0 = 1).
Різке зростання струму і поглинутої енергії на другому етапі (0.20 с t < .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 0 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 0 є найбільш несприятливої для людини, що попала під напругу.
На рис. 7 приведені залежності поглинутої людиною електромагнітної енергії від величини індуктивності компенсуючого дроселя Qе(L/L0), причому, значення індуктивності узяте стосовно її резонансного значення L0 на першому етапі.
Криві 1 (рис. 7) характеризують залежність Qе(L/L0) при роботі некерованого компенсуючого дроселя, коли значення його індуктивності LД постійне як на першому, так і на другому етапах. Вони показують, що завищення величини індуктивності дроселя в порівнянні з резонансним значенням на першому етапі на (15 … )за енергетичним показником (кількості поглиненої енергії) є близьким до оптимального. Причому, схема компенсації з ємнісним ФНП є більш сприятливою. Враховуючи складність забезпечення оптимального режиму компенсації для схеми з некерованим дроселем, кількість поглинутої енергії може скласти від 1.9 Дж до 3.2 Дж. Це відповідає значенням Iе в межах від 44 мА до 57 мА. Така схема, щонайменше, не має запасу для підвищення напруги мережі понад 660 В чи підвищення ємності понад 1 мкФ.
Криві 2 (рис. 7) характеризують залежність енергії Qе(L/L0) при роботі керованого дроселя, коли передбачається повна компенсація ємнісної складової струму витоку на першому етапі, а на другому етапі, коли вузол автоматичної компенсації частково втрачає керованість, індуктивність дроселя стає постійною за значенням. Це значення індуктивності і є аргументом досліджуваної функції Qе(L/L0). При такому режимі компенсації, за результатами аналізу (рис. 8), керована індуктивність дозволяє поліпшити обидва інтегральні показники в 1.5 … .5 рази в порівнянні з некерованою. Причому, в тому разі, коли на другому етапі керованість дроселя порушується, значення його індуктивності, по енергетичному показнику наближається до оптимального, знаходиться в межах L/L0 = 1.25 … 1.35.
На рис. 8 приведені складові поглиненої людиною енергії на різних етапах і в перехідних процесах між етапами для базового варіанта (U = 660 В, С = 0.75 мкФ, на першому етапі компенсація повна) для різних значень початкової фази комутації.
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.
По-друге, використання керованого дроселя дозволяє зменшити кількість поглинутої енергії на другому етапі в кілька разів (з 1.3 Дж до 0.25 Дж). Причому, фактичне значення енергії на першому етапі з некерованим дроселем (крива 1, рис. 8 а) занижено, тому що забезпечення резонансу в цих умовах проблематично.
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 < Rh < 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 Rh 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.
На рис. 10 приведена схема електропостачання дільниці шахти, що включає повздовжні опори кабельних ліній ZL0…ZL4, еквівалентні опори основних споживачів Zn1...Zn4. Джерело живлення представлено еквівалентним генератором E, Zg, в якому враховується ЕРС трансформатора, опір його обмоток, а також опір високовольтного кабелю живлення. Точки 1...4 на схемі відповідають точкам мережі, в яких досліджується в різних комбінаціях пробій на землю.
Контур заземлення представлений схемою заміщення (рис. 12). Вона враховує опори заземлюючих жил низьковольтних (r0...r4) і високовольтних (RВК0…RВК1) кабелів, місцеві заземлювачі ПУПП, РПЛ і кабельних муфт (RМ0…RМ2), головний заземлювач (RГ), природні заземлення механізмів (RЕ1…RЕ4), а також переміжний опір між корпусами комбайна і конвеєра (RЕ0).
Виходячи з того, що навантаженням дільниці є в основному асинхронні електродвигуни, для аналізу застосовується метод симетричних складових (МСС). Основу методу складає те, що досліджуване коло щодо кожної із симетричних складових замінюється симетричною однофазною моделлю, причому, область несиметрії представляється джерелом напруги симетричної складової. У досліджуваній схемі (рис. ) таких зон дві і вони зв’язані розгалуженою мережею заземлення. Досвід моделювання подібних систем у літературі практично не описаний. У зв'язку з цим була застосована наступна методика дослідження:
-
в однофазних моделях для прямої і зворотної послідовностей (рис. 11 а, б) частина мережі, що не примикає до точок пробою, була замінена еквівалентним генератором Ее1, Zе1 (для зворотної послідовності Ее2 = , Zе2);
-
для спрощення системи рівнянь, що описують граничні умови (напруги і струми в зонах несиметрії) у схемі заміщення для нульової послідовності (рис. ,б) контур заземлення представлений його еквівалентним вхідним опором Rz щодо точок пробою В даному дослідженні розглядається найбільш несприятлива комбінація точок 3 фази А і 4 фази С (рис. 8 і рис. 9).;
-
отримана модель перевірялася і корегувалася на добре відомих, описаних у літературі окремих режимах (номінальний режим, трифазне КЗ, пуск найбільш потужного з двигунів і ін.);
-
з отриманих моделюванням симетричних складових за допомогою матриці Фортеск’ю визначалися струми і потенціали схеми рис. ;
-
аналіз режиму заземлюючого контуру проводився методом вузлових потенціалів, для чого силова мережа за допомогою дослідів холостого ходу (Rz > ?) і короткого замикання (Rz > 0) відносно точок пробою замінялась еквівалентним генератором.
Основний результат моделювання силової мережі полягає в тім, що струми аварійних фаз порівняні з пусковими струмами двигунів і, отже, не чуттєві для максимального струмового захисту. З цього випливає потенційна можливість неконтрольованого розвитку аварійної ситуації.
Рис. 11. Еквівалентні схеми заміщення для симетричних складових:
а) прямої та зворотної послідовності; б) нульової послідовності.
На рис. 12 приведена діаграма розтікання струмів заземлюючої мережі для точок пробою 3 і 4. Незважаючи на те, що основне струмове навантаження несуть заземлюючі жили кабелів, (r1, r2, r3 на рис. 12), у деяких випадках струми відкритих ділянок місцевих заземлювачів можуть досягти (30 … ) А, що небезпечно з погляду іскро - чи дугоутворення. Однак, найбільш несприятливим є струм на переміжному опорі між корпусами комбайна і конвеєра, який може перевищити 200 А. Очевидно, що такий режим у мережі заземлення неприпустимий. Очевидно також і те, що наявність швидкодіючого захисту, що реагує, наприклад, одночасно на підвищені струми й асиметрію фаз, у досліджуваній ситуації не вирішує задачу безпеки. Струми і їхні динамічні сплески у відкритих ланках мережі заземлення виникають раніше, ніж спрацює будь-який вид захисту.
Таким чином, реальним і, можливо, єдиним засобом захисту в подібній ситуації є тільки одне: своєчасне усунення передумови її виникнення – невідключеного однофазного витоку. Це значить, що основні зусилля варто направити на підвищення надійності захисту від витоків.
Система захисного вимикання містить реле витоку, що реагує на зниження опору ізоляції будь-якої фази та подає сигнал на вимикання, і автоматичний вимикач (АВ), що є виконавчим елементом. Надійність спрацьовування реле витоку на порядок вище надійності вимикачів. В системах електропостачання передбачено декілька вимикачів. Попередні розрахунки показали, що дублювання сигналу реле витоку на котушку вимикача КРП-6 кВ та групового вимикача підвищує надійність захисного відключення у 10-20 разів в залежності від варіанта реалізації. Подібний захід слід розглядати як технічне рішення, яке усуває передумову виникнення двофазного замикання на рознесені точки контуру заземлення і, як наслідок, сприяє підвищенню електро-, пожежо- та вибухобезпеки вугільних шахт.
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 В, L/L0 , С .75 мкФ/фазу, ТЕ = 1, ТМ с) значення поглинутої енергії знаходиться в межах від 1.6 Дж до .7 Дж при ємнісному ФНП і від 2.3 Дж до .4 Дж при індуктивному ФНП, причому, величина L/L0 .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 … )у порівнянні з резонансною приводить до збільшення поглиненої тілом людини енергії в 1.5 … .0 рази.
4. Для кола з керованим дроселем, що забезпечує повну компенсацію на першому етапі і підвищеним у 1.25 – .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 с, опір ізоляції кабелів в межах від 50 кОм до кОм, а також параметри ФНП незначно впливають на величину поглиненої тілом людини енергії (у межах від 3до 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 .8 Дж, а з ростом напруги мережі збільшується в залежності, близької до квадратичної.
7. Обидва показники тяжкості ураження, що знаходяться в однозначній відповідності при Rh 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
