Анализ факторов ограничения функции защиты человека от электропоражения в электрической сети участка шахты

К.Н. Маренич, А.И. Денисова
Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Российская Федерация
Горная Промышленность №3 / 2023 стр. 54-58

Резюме: Актуальность совершенствования защиты персонала шахты от поражения электрическим током связана с высокой степенью вероятности прикосновения человека к фазному токоведущему проводнику, находящемуся под напряжением, при эксплуатации силового электрооборудования в структуре шахтных участковых электротехнических комплексов. Авторами установлены факторы ограничения функции защиты от утечек тока на землю применительно к возможности её эксплуатации в структуре шахтных участковых электротехнических комплексов с потребителями высокой мощности: 1 – не в полной мере осуществляется компенсация ёмкостных токов в проводимостях изоляции и цепи утечки автокомпенсаторами, действующими на основе корректировки индуктивности компенсирующего дросселя; 2 – реализация способа выявления фазы с цепью утечки тока на землю методом сопоставления напряжений фаз относительно земли имеет ограничение в области ёмкостей изоляции, превышающих 0,9 мкФ/фазу, и сопротивления утечки (тела человека), превышающего 1,0 кОм; 3 – устойчивость работы аппаратов защиты от утечек тока на землю к коммутационным переходным процессам в сети не обеспечивается при коммутации присоединений с высокими ёмкостями изоляции в условиях малых (но находящихся на допустимом уровне) активных сопротивлений изоляции сети; 4 – функция защиты от утечек тока на землю ограничивается отделением от сети энергетического потока трансформаторной подстанции участка шахты и не распространяется на подавление обратных электродвижущих сил асинхронных двигателей потребителей, переходящих в режим выбега и представляющих собой электропоражающий фактор.

Ключевые слова: шахтный участковый электротехнический комплекс, аварийное состояние, функциональные узлы, утечка тока на землю, защита персонала шахты, электропоражение человека

Для цитирования: Маренич К.Н. Денисова А.И. Анализ факторов ограничения функции защиты человека от электропоражения в электрической сети участка шахты. Горная промышленность. 2023;(4):54–58. https://doi.org/10.30686/1609-9192-2023-4-54-58

Введение

Специфика условий эксплуатации силового электрооборудования в структуре шахтных участковых электротехнических комплексов предопределила высокую степень вероятности прикосновения человека к фазному токоведущему проводнику, находящемуся под напряжением. Это, в свою очередь, обусловило актуальность исследований и разработок в области совершенствования защиты персонала шахты от поражения электрическим током, что нашло своё выражение в применении аппаратов защиты от утечек тока на землю в структуре шахтных участковых электротехнических комплексов.

Технологический участок современной шахты – это, как правило, многомашинный комплекс, содержащий большое количество электромеханических установок, оснащённых асинхронными двигателями высокой мощности, что обусловливает увеличение энергетических параметров процессов в системах электроснабжения участков шахты. В связи с этим актуальны исследования, относящиеся к установлению соответствия концепции применения существующих в настоящее время технических средств защиты человека от электропоражения критериям эффективности защитной функции.

Анализ исследований и публикаций

Проблема защиты от электропоражения человека в шахтной участковой электрической сети раскрыта в работах, выполненных в контексте разработки и совершенствования соответствующих защитных устройств [1–4]. Здесь же представлены схемы, дано описание принципа их действия. Однако отсутствует анализ опыта эксплуатации и выявленных факторов ограничения функции защит, в частности, в электрических сетях с относительно высоким уровнем ёмкости изоляции, что характерно для электропитания потребителей высокой мощности. В работе [3] имеется краткая информация, относящаяся к ограничению области применения короткозамыкателя аппарата защиты от утечек тока на землю. Однако в этом направлении актуально комплексное исследование с уточнением области возможного применения данного функционального узла.

В целом, информация относительно схем и функционирования устройств защиты человека от электропоражения в шахтных участковых электросетях позволяет сделать вывод об актуальности анализа факторов ограничения их функции, в том числе в условиях применения в сетях потребителей высокой мощности.

Результаты и обсуждение

Многофункциональность схем аппаратов защиты от утечек тока на землю предопределяет исследование эффективности функционирования их отдельных структурных компонентов. В условиях эксплуатации электропотребителей высокой мощности и применения в связи с этим гибких кабелей, отличающихся высоким уровнем ёмкости изоляции (относительно земли) особое значение приобретают разработки в области компенсации (статической, либо автоматической) ёмкостных токов утечки.

Автокомпенсация ёмкостных токов утечки на землю, реализуемая, в частности, в аппаратах защиты типа АЗУР-1, состоит в измерении ёмкости изоляции сети и автоматической корректировке величины индуктивности компенсирующего дросселя пропорциональным изменением постоянного тока в его обмотке управления. Анализ эффективности этой функции выполнен путём экспериментального исследования физической модели трёхфазной электрической сети линейного напряжения 380 В, частоты 50 Гц, содержащей активные сопротивления изоляции относительно земли (R_из = 150 кОм) /фазу; постоянные по величине С_из = 0,25 мкФ/фазу и коммутируемые параллельно с ними дополнительные (0,1 мкф/фазу ≤ С_var ≤ 0,5 мкФ/фазу) ёмкости изоляции относительно земли; сопротивление однофазной утечки на землю (R_ут = 1 кОм); автокомпенсатор ёмкостного тока утечки на землю, входящий в структуру аппарата защиты типа АЗУР-1. Падение напряжения Δu на сопротивлении утечки фиксировалось осциллографом, что позволяло вычислить величину тока (i = Δu / 1000) в цепи утечки.

Рис. 1 Результаты измерения тока (Iут) в цепи утечки (Rут = 1 кОм/фазу) на землю (сеть линейного напряжения 380 В) в функции ёмкости изоляции сети (Сиз) при неизменной величине активного сопротивления изоляции (Rиз = 150 кОм/фазу): 1; 1а – компенсация ёмкостного тока утечки отсутствует; 2; 2а – автокомпенсатор ёмкостного тока утечки включен в работу

Fig. 1 The results of measuring the current (Iут) in the leakage circuit (Rут = 1 kOhm / phase) to the ground (380 V line voltage network ) as a function of the insulation capacity of the network (Сиз) at a constant value of the active insulation resistance (Rиз = 150 kOhm / phase): 1; 1а – there is no compensation for the capacitive leakage current; 2; 2а – the capacitive leakage current autocompensator is included in the operation

Работоспособность автокомпенсатора аппарата АЗУР-1 иллюстрируется сопоставлением осциллограмм напряжения Δu на резисторе Rут при отключенных и подключенных к цепи «земля» обмотках дросселя автокомпенсатора аппарата АЗУР-1 (рис. 1). Переходный процесс перенастройки автокомпенсатора при подключении дополнительной ёмкости изоляции сети характеризуется кратковременным (до трех периодов напряжения сети) увеличением тока в цепи утечки на землю с последующим снижением тока до установившегося значения. Максимум амплитуды измеряемого параметра в переходном процессе по отношению к амплитуде параметра предшествующего установившегося состояния зафиксирован в соотношении 2,2–2,5. Полученные данные позволяют сделать вывод, что амплитудновременные характеристики переходного процесса перенастройки дросселя автокомпенсатора при ступенчатом подключении ёмкости изоляции сети не вносят существенных изменений в процесс накопления количества электричества в цепи сопротивления утечки Rут тока на землю, т.е. могут быть не отнесены к возмущающим воздействиям, существенно влияющим на параметр электропоражения человека. В то же время с увеличением ёмкости изоляции сети при неизменной величине активного сопротивления изоляции имеет место рост тока в цепи утечки на землю (см. рис. 1), что свидетельствует о неполной компенсации ёмкостного тока утечки на землю.

Результаты, полученные экспериментально при исследовании процессов в сети линейного напряжения 380 В, могут быть пересчитаны для сетей напряжения 660 В (коэффициент увеличения k = sqr3) и напряжения 1140 В (коэффициент увеличения k = 3). Они позволяют судить о степени зависимости тока в цепи утечки на землю от величины ёмкости изоляции сети и рассчитать количественные показатели зависимости допустимой продолжительности τдоп протекания этого тока до момента достижения количеством электричества q в этой цепи утечки предельно допустимого по критерию электробезопасности значения q_доп = 50 mА·c¹: τ_доп= q_доп/I_ут, где I_ут = f (C_из), табл. 1.

Таблица 1 Величины допустимой продолжительности протекания тока в цепи утечки на землю (Rут = 1 кОм) до достижения параметром q значения qдоп = 50 мА·c

Table 1 Values of permissible duration of the current flow in the earth leakage circuit (Rут = 1 kOhm) until the q value reaches the qдоп = 50 mAs

Из анализа данных (табл. 1) следует, что функции аппаратов защиты от утечек тока на землю, адаптированных к сетям линейного напряжения 1140 В и не содержащих автокомпенсаторов ёмкостных токов утечки², находятся на пределе допустимого по параметру продолжительности защитного отключения сети. Так, согласно техническим характеристикам³ аппарата АЗУР-4 при эксплуатации в сети линейного напряжения 1140 В собственное время его срабатывания не превышает 0,07 с, а время шунтирования «повреждённой» фазы не превышает 0,17 с. Схема данного аппарата защиты, не усложнённая структурой автокомпенсатора ёмкостного тока утечки на землю, в качестве защитной функции реализует принцип ускоренного выявления и закорачивания на землю «повреждённой» фазы через сопротивление малой величины.

В основе работы короткозамыкателя «повреждённой» фазы лежит принцип реагирования на процесс смещения напряжения нейтрали сети вследствие появления цепи однофазной утечки (R_ут << R_из) на землю, что выражается изменением величин напряжений фаз U₁₀; U₂₀; U₃₀ относительно земли [4], т.е. выявляется состояние U₁₀ ≠ U₂₀ ≠ U₃₀, где U₁₀ = U_sqr (1– (1 + 2k₁) /a); U₂₀ = U_sqr(1 + (2 + k₁ – k₂ sqr 3) a); a = 1 + k₁(2 + k₁) + k₂²; k₁= R_ут/R_из; k₂ = 2πf C_из ·R_ут; U₃₀ = U_sqr (1 + (2 + k₁+ k₂ sqr 3) a); U; f – напряжение и частота сети соответственно.

Таким образом, схема короткозамыкателя аппарата защиты в случае появления цепи однофазной утечки тока на землю и, как следствие, смещения нейтрали сети выявляет фазу с минимальным падением напряжения относительно земли с последующим её закорачиванием на землю.

Однако в участковых электросетях мощных электропотребителей, характеризующихся относительно высокими ёмкостями изоляции относительно земли (близкими к 1,0 мкФ/фазу), существует вероятность выявления в качестве поврежденной – смежной с ней фазы при условии превышения сопротивлением цепи утечки (сопротивлением тела человека, прикоснувшегося к фазе) величины, оговоренной в нормативной документации (R_ут = 1,0 кОм), что поясняется соотношением напряжений фазы 1 и фазы 2 относительно земли при R_ут >2,0 кОм (рис. 2) [3]. В этом случае закорачивание на землю фазы, смежной с «повреждённой», приведёт к тому, что человек окажется под действием линейного напряжения сети, что крайне опасно.

Рис. 2 Графики зависимости отношений напряжения фаз 1, 2, 3 сети относительно земли к фазному напряжению однофазной утечки на землю при Сиз = 1,0 мкФ/фазу [3]

Fig. 2 Graphs of the dependence of the voltage ratios of phases 1, 2, 3 of the network relative to the ground to the phase voltage of a single-phase leakage to the ground at Сиз = 1.0 μF /phase [3]

С учётом тенденции к повсеместному применению в шахтах электромеханических установок повышенной мощности представляется целесообразным рассмотреть работу аппарата защиты от утечек тока на землю в части выявления «повреждённой» фазы при С_из > 1,0 мкФ/фазу. Полагая R_из = const и варьируя параметр 1,0 мкФ/фазу ≤ С_из ≤ 2,0 мкФ/ фазу, методом компьютерного моделирования определены величины напряжений между фазами и землёй в условиях возникновения цепи (R_ут U₁₀ << R_из) однофазной утечки тока на землю. Выявлен эффект, когда при определённых величинах параметров С_из и R_ут напряжение между «повреждённой» фазой и землёй (условно, U₁₀) оказывается выше, чем напряжение между смежной с ней «неповреждённой» фазой и землёй (условно, U₂₀). В части работы короткозамыкателя это приведёт к недопустимому действию – закорачиванию на землю «неповреждённой» фазы. Этот вывод подтверждается результатами моделирования, приведенными в табл. 2.

Таблица 2 Параметры электрической сети линейного напряжения 1140 В с цепью утечки тока на землю (Rут << Rиз), при которых U10 < U20. В процессе моделирования активное сопротивление изоляции сети Rиз = 200 кОм/фазу

Table 2 Parameters of the electric network with the phase-tophase voltage of 1140 V with the earth leakage circuit (Rут << Rиз) at whichU10 < U20. The active insulation resistance of the network Rиз was 200 kOhm/phase during the simulation process

Полученные результаты позволяют сделать вывод о наличии технического противоречия в части применения шахтных участковых электротехнических комплексов с электроприводами высокой мощности. Применение в этом случае силовых кабелей больших сечений и зачастую – больших протяжённостей сопровождается существенным увеличением ёмкости изоляции сети до уровня С_из > 1,0 мкФ/фазу при том, что сопротивление утечки (тела человека, прикоснувшегося к фазному проводнику) может находиться в пределах: R_ут = 0,9 – 2,0 кОм.

Проблемным вопросом в части эксплуатации аппаратов защиты от утечек тока является наличие вероятности реакции их схем на процессы коммутации нагрузки (электродвигателей) [4; 5]. Так, экспериментально выявлены устойчивые ложные срабатывания аппарата защиты АЗУР-1 в процессе контакторной коммутации асинхронного двигателя мощностью 55 кВт (присоединение с ёмкостью изоляции С_{из. доп} = 0,15 мкФ/фазу) в сети линейного напряжения 660 В с относительно высокой ёмкостью изоляции С_из = 0,4 мкФ/фазу при величине активного сопротивления изоляции R_из = 32 кОм/фазу, близкой к минимально допустимой (рис. 3).

Рис. 3 Осциллограммы параметров в контролируемых точках схемы аппарата АЗУР-1. Исследование коммутационного процесса при подключении асинхронного двигателя ЭДКОФ250М4 мощностью 55 кВт. Линейное напряжение сети U = 660 В, частота сети f = 50 Гц. Uрэ – напряжение на реагирующем элементе АЗУР; Uоп – опорное напряжение измерительного канала АЗУР; Uвых. – напряжение выхода компаратора АЗУР; UАВ – напряжение датчика срабатывания автоматического выключателя трансформаторной подстанции участка шахты

Fig. 3 Waveforms of parameters at controlled points of the AZUR-1 unit circuit. Investigation of the switching process when connecting the EDKOF250M4 asynchronous motor with the power of 55 kW. The line voltage of the network U = 660 V, the frequency of the network f = 50 Hz. Uрэ is the voltage at the responder of the AZUR unit; Uоп is the reference voltage of the measuring channel of the AZUR unit; Uвых is the output voltage of the AZUR comparator; UАВ is the trigger sensor voltage of the circuit breaker at the transformer substation of the mine section

Особенностью защиты от утечек тока на землю в шахтной участковой электросети является то, что вся их защитная функция завершается процессом отключения напряжения питания, подаваемого на силовые присоединения, т.е. отделением от сети энергетического потока участковой трансформаторной подстанции. При этом процесс (от момента появления цепи утечки на землю до момента отделения от сети энергетического потока трансформаторной подстанции) сопровождается ростом количества электричества в цепи утечки (в теле человека) тока на землю.

Однако после таких защитных действий и отключения группового автоматического выключателя участка сохраняются коммутационные связи контакторов магнитных пускателей и присоединенных асинхронных двигателей, а электрическая сеть остаётся под действием обратных энергетических потоков указанных электрических машин. Таким образом, после защитного отключения сети её силовые присоединения между контакторами пускателей и асинхронными двигателями остаются под действием обратных электродвижущих сил (ЭДС) (электродвижущая сила вращения) последних:

(1)

где Lm – индуктивность главного потока АД; Lp – полная индуктивность ротора; s и ω₀ – скольжение и синхронная частота вращения ротора.

Постоянная затухания свободного тока ротора обусловливает характер снижения ЭДС вращения АД и определяется выражением:

(2)

где r_p – активное сопротивление обмотки ротора АД; U_ф – фазное напряжение статора двигателя в режиме холостого хода; K_н = 1,1 (для двигателя с воздушным охлаждением) – коэффициент, учитывающий насыщение магнитной системы АД; I₀ – ток холостого хода асинхронного двигателя.

C учётом того, что постоянная времени ЭДС выбега асинхронного двигателя определяется отношением параметра его индуктивности к активному сопротивлению обмоток, и в связи с тем, что с ростом мощности двигателя его индуктивность увеличивается, а активное сопротивление снижается, представляется корректным сделать вывод о том, что концепция защитного отключения электросети в контексте обеспечения электробезопасности является недостаточной.

Эффективность функции защиты от аварийных, опасных состояний в шахтной участковой электрической сети может быть обеспечена не защитным её отключением, а защитным двусторонним обесточиванием, т.е. отделением от сети обратных энергетических потоков асинхронных двигателей в процессе их защитного отключения от источника электропитания. Такой подход составляет сущность концепции автоматического защитного двустороннего обесточивания шахтной участковой электрической сети [5].

В этой связи критериям практической актуальности соответствуют разработки устройств выявления утечки тока на землю в кабельной сети, действующих со стороны присоединения статоров асинхронных двигателей автономно, независимо от функционирования средств защиты со стороны участковой трансформаторной подстанции, а также разработки силовых исполнительных устройств подавления обратных энергетических потоков асинхронных двигателей в процессе их защитного отключения, адаптированные в структуру конструкции этих электрических машин.

Выводы

Эксплуатация мощных электромеханических установок в структуре шахтных участковых электротехнических комплексов сопряжена с необходимостью противодействия энергетическим потокам высокого уровня, повышающим опасность электропоражения человека. Установлены факторы ограничения функции защиты шахтной участковой электрической сети от утечек тока на землю в части компенсации ёмкостных токов утечки, точности выявления повреждённой фазы в сетях с высоким уровнем ёмкости изоляции и сопротивления утечки, устойчивости функционирования защиты в условиях коммутационных переходных процессов.

Нераспространение защитной функции на подавление обратных ЭДС асинхронных двигателей после отключения электросети обусловливает актуальность решения этой научно-технической задачи.

¹ Аппараты защиты от токов утечки рудничные для сетей напряжением до 1200 В. Общие технические условия: ГОСТ 22929-78. С изменениями согласно ИУС 11-80, 7-81, 11-83. Соответствует СТ СЭВ 2309-80. [Вступил в силу 01.01.79]. М.: Издательство стандартов, 1978. 13 с. (Межгосударственный стандарт).

² Аппарат защиты от токов утечки унифицированный рудничный АЗУР-4МК. Руководство по эксплуатации. ИТЭП 28648513.004.РЭ. Донецк; 2013. 28 с. Режим доступа: https://itep.com.ua

³ Аппарат защиты от токов утечки унифицированный рудничный АЗУР-4МК. Руководство по эксплуатации. ИТЭП 28648513.004.РЭ. Донецк; 2013. 28 с. Режим доступа: https://itep.com.ua

Информация о статье

Поступила в редакцию: 09.06.2023

Поступила после рецензирования: 11.07.2023

Принята к публикации: 11.07.2023

Информация об авторах

Маренич Константин Николаевич – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой горной электротехники и автоматики, Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Денисова Анастасия Игоревна – аспирант кафедры горной электротехники и автоматики, Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Российская Федерация; e-mail: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Список литературы

1. Дзюбан В.С., Ширнин И.Г., Ванеев Б.Н., Гостищев В.М. Справочник энергетика угольной шахты. Донецк: ООО «Юго-Восток, Лтд»; 2001. Т. 1. 446 с.

2. Белошистов А.И., Савицкий А.В., Савицкий В.Н. Модернизация аппаратов защиты от токов утечки АЗУР-1. Взрывозащищённое электрооборудование. 2017;(1):45–57. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/ldcqfz

3. Дзюбан В.С. Аппараты защиты от токов утечки в шахтных электрических сетях. М.: Недра; 1982. 152 с.

4. Колосюк В.П. Защитное отключение рудничных электроустановок. М.: Недра; 1980. 334 с.

5. Маренич К.Н. Теоретические основы и принципы применения защитного обесточивания рудничных электротехнических комплексов. 2-е изд. доп. М.; Вологда: Инфра-Инженерия; 2021. 240 с.