Об опасности коммутационных потенциалов, вынесенных из

147
4.
Мерабешвили
П.Ф.,
Кохреидзе
Г.К.
Математическое
моделирование электромагнитных процессов в преобразовательной
системе с трёхфазным АИТ // Электричество.- №3.- С.31.
УДК 622:621.316.99
В.П. Высоцкий, В.Я. Демидов,
С.Н. Барахтаев (ВостНИИ)
ОБ ОПАСНОСТИ КОММУТАЦИОННЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ, ВЫНЕСЕННЫХ
ИЗ КОНТУРА ЗАЗЕМЛЕНИЯ ШАХТНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ
Шахтные электрические сети выполнены кабелями, имеющими
значительные емкости. Правилами безопасности в угольных шахтах
емкости участковых сетей ограничены до 1 мкФ/фазу. В процессе
коммутации силовых сетей к распределенным емкостям кабельной
линии прикладывается напряжение с высокими фронтами нарастания.
Через емкостные связи жил кабеля в контуре, образованном
заземляющей жилой и землей, протекает емкостной ток, величина
которого зависит от параметров кабельной линии, величины
коммутируемого напряжения и скорости его нарастания. В ряде работ
показано влияние коммутационных процессов, происходящих в шахтных
участковых сетях, на формирование импульсных э.д.с в контуре заземления
шахтного электрооборудования. Измеренное в разрыве контура заземления
напряжение составляет в зависимости от указанных параметров сотни
вольт. Форма напряжения представляет собой затухающий синусоидальный
процесс, частота которого составляет десятки килогерц и зависит от
параметров кабельной линии.
Ранее проведенными в ВостНИИ испытаниями установлено, что
искра, образующаяся в местах разрыва контура заземления, способна
воспламенить метановоздушную смесь. Таким образом, при
коммутационных процессах, происходящих в силовой кабельной сети, в
контуре заземления наводятся э.д.с., способные воспламенить
метановоздушную смесь. Если рассматривать контур заземления по
элементам, входящим в его состав, можно установить, что на различных
участках падение напряжения, создаваемое емкостным током, будет
различным и определяться сопротивлением элемента, входящего в
состав контура. Наиболее варьируемой величиной сопротивления
является заземляющее устройство, входящее в контур заземления.
148
Защитное заземление электроустановок в условиях угольных шахт
со взрывоопасной атмосферой имеет комплексное назначение.
Во-первых, оно должно выполнять функции защитного устройства от
поражения электрическим током в случаях прикосновения человека к
токоведущим или оказавшимися под напряжением в аварийных
ситуациях частям электрооборудования. Во-вторых, оно должно
обеспечивать искробезопасность при возможных искрениях токов утечки
в нормальном режиме работы электрических устройств и при замыкании
фазы на корпус. По условиям искробезопасности, согласно /1, 2/, для
сетей с ёмкостью фазы относительно земли 1 мкФ и напряжением 380 В
сопротивление заземления должно быть не более 330 Ом, для сети
напряжением 660 В - 100 Ом. Однако допустимые величины
сопротивлений заземления по условиям искробезопасности и по
условиям предупреждения поражения человека электрическим током не
совпадают и, как показано в работе /3/, величины сопротивлений
заземления для последнего случая должны быть меньше. Так, при
максимально допустимой емкости силовых жил кабеля относительно
земли и критическом сопротивлении изоляции для сетей с
напряжениями 380, 660 и 1140 В для обеспечения безопасности
человека сопротивления заземлений соответственно должны быть не
более 135; 45,4; 25 Ом. При минимальной емкости сети и критическом
сопротивлении изоляции сопротивления заземлений должны быть не
более 278; 94; 52,2 Ом соответственно. «Нормативы по безопасности
забойных
машин,
комплексов
и
агрегатов»
на
основании
вышеприведенных исследований регламентируют
заземление для
забойных конвейеров, передвижных машин, корпусов аппаратов,
устанавливаемых
в
призабойном
пространстве,
а
также
электрооборудования,
устанавливаемого
на
платформах,
перемещающихся по рельсам, осуществлять при помощи заземляющих
жил питающих кабелей, а величины сопротивлений заземлителей таких
объектов для сетей до 660 и 1140 В не должны превышать 100 и 50 Ом
соответственно.
Величина
сопротивления
заземляющей
жилы
кабеля
контролируется системой контроля по цепи, образованной контрольной
и заземляющей жилами кабеля, т.е. непосредственно сопротивление
заземления от аппарата на землю остается без контроля. В настоящее
время местные заземлители могут устраиваться с использованием для
этих целей элементов конструкций металлокрепи. Исследования
свидетельствуют о том, что заземлитель с использованием
металлокрепи, с точки зрения трудоемкости его устройства и величины
сопротивления на землю, является более предпочтительным по
сравнению с традиционными местными заземлителями *.
* Разработать нормы и правила выполнения защитного заземления в подземных установках с
использованием естественных заземлителей: Отчёт о НИР / ВостНИИ; Руководитель В.А. Гришин. 171434000-092. - Кемерово, 1987. - 117 с.
149
В «Инструкции по устройству, осмотру и измерению сопротивления
шахтных заземлителей» (Правила безопасности в угольных шахтах)
изложены способы устройства заземлителей в шахтах. Способы
устройства заземлителей выбираются с учетом условий в шахте - её
обводнённости,
наличия
водосточных
канавок,
электрической
проводимости грунтов и т.д. Главные заземлители в совокупности с
местными заземляющими устройствами образуют заземляющую сеть
шахты. При этом общее переходное сопротивление сети заземления,
измеренное у любых заземлителей, не должно превышать 2 Ом.
Однако сопротивления местных заземлителей в зависимости от
проводимости грунтов имеют различные величины и значительно
отличаются от величины 2 Ом.
В работе* приведена представительная выборка сопротивлений
местных заземлителей с охватом ряда угольных бассейнов страны. По
статистическим данным указанной работы построены и приведены на рис.
1
вероятностные
гистограммы
распределения
сопротивлений
традиционных искусственно выполненных, согласно «Инструкции...»,
местных заземлителей. Представительность выборки составляет 458
замеров.
0,4
0,3
0,2
Pi
0,1
0
0,1
0,2
0,4 0,6 1,0
2,0
4,0 6,0 10
20
Ом
70
RЗ
Рис. 1. Распределение сопротивлений заземлителей, выполненных
согласно ПБ
* Разработать нормы и правила выполнения защитного заземления в подземных установках с
использованием естественных заземлителей: Отчёт о НИР / ВостНИИ; Руководитель В.А. Гришин. 171434000-092. - Кемерово, 1987. - 117 с.
150
На рис. 1 приведены распределения сопротивлений до 70 Ом,
однако в упомянутой выборке имеются величины сопротивлений,
достигающие сотен ом.
Вероятность таких величин мала, их значения приведены в табл. 1.
Таблица 1
Значения вероятностей сопротивлений местных заземлителей от 70 до 800
Ом
Интервал ряда величин
h, Ом
70  80
80  90
90  100
100  200
200  300
500  600
700  800
Число
заземлителей
ni
1
2
5
8
1
1
1
Вероятность сопротивления заземления Pi
0,002
0,004
0,0011
0,0018
0,002
0,002
0,002
Согласно данным табл. 1, вероятность сопротивлений местных
заземлений в пределах от 70 до 200 Ом составляет 0,035.
На рис. 1 внутри интервалов до 1 Ом, от 1 до 10 Ом и далее по 10 Ом
приведены дополнительные их вероятности, позволяющие оценить более
вероятные величины сопротивлений для небольших интервалов. Так,
сопротивления местных заземлителей до 10 Ом составляют около 58%,
однако более 40% имеют значения, составляющие десятки ом.
В качестве местного заземлителя могут быть использованы
конструкции металлической крепи - арочной, прямоугольной или
трапецеидальной*.
Согласно
данным
названного
источника,
сопротивление заземления измерялось при соединении заземлителя к
трём секциям металлокрепи. При этом для различных шахт и для
различной обводнённости выработок значения сопротивления весьма
различно.
На рис. 2 приведены гистограммы распределений сопротивления
заземлителей, выполненных с использованием металлокрепи. Согласно
приведенному распределению, до 45% сопротивлений заземлителей
имеют сопротивления от 1 до 10 Ом, около 10% - от 10 до 20 Ом, от 20
до 30 Ом составляют 3% и так далее по убывающей - до 80 Ом.
Из сравнения распределений по рис. 1 и 2 можно сделать вывод о
приоритетности второго способа устройства местных заземлителей. Однако
как в первом случае, так и во втором имеются сопротивления,
составляющие десятки Ом, а в первом - даже сотни. Сопротивление между
151
секциями металлокрепи и электрооборудованием от 10 до 35 Ом может
встречаться с вероятностью 0,2, а от 100 до 250 Ом - с вероятностью 0,05.
* Разработать нормы и правила выполнения защитного заземления в подземных установках с
При протекании
тока в контуре
заземления
на заземлителях
использованием
естественных заземлителей:
Отчёт о НИР
/ ВостНИИ; Руководитель
В.А. Гришин. 171434000-092.
Кемерово,
1987.
117
с.
падение напряжения находится в прямой зависимости от его
сопротивления, что, в конечном счёте, определяет опасность
вынесенного потенциала.
Коммутация в сети может осуществляться как контактными, так и
бесконтактными коммутирующими устройствами. К числу последних
относятся различные преобразовательные устройства, выполненные на
основе силовых полупроводниковых приборов. Принципиальной
разницы в физических процессах, происходящих в кабельной сети при
коммутации контактных и тиристорных устройств, нет. Для
исследования предпочтительными являются коммутации тиристорных
устройств, т.к. их фазы включения по отношению к синусоиде
напряжения в силовой сети могут быть фиксированными, а при
включении контактного аппарата они носят вероятностный характер, что
прямо влияет на величину импульсной э.д.с. в контуре заземления.
0,5
0,4
0,3
0,2
Pi
0,1
0
0,1
0,2
0,4 0,6 1,0
2,0
4,0 6,0
10
20
Ом
70
152
RЗ
Рис.
2.
Распределение
сопротивлений
заземлителей,
выполненных с использованием металлокрепи
Исследования вынесенного потенциала проведены по схеме рис.
3, где заземлитель Rз располагался в конце кабельной линии. В
качестве коммутирующего устройства использован тиристор. При
проведении экспериментов была выбрана фаза включения тиристора 90
эл. град по отношению к синусоиде напряжения сети. Таким образом, в
контуре заземления силового кабеля импульсная э.д.с. будет
максимальной. Длина силового кабеля ГРШЭ при исследованиях
составляла 420 м.
В качестве проводника для выноса потенциала
использована заземляющая жила кабеля КГШИ протяженностью 230 м.
Сопротивление Rз изменялось в соответствии с возможными его
значениями, представленными на рис. 1 и 2, от 0 до 200 Ом. Для этого
был использован магазин сопротивлений Р58. Величина вынесенной
импульсной э.д.с. измерялась осциллографом С9-16, а испытание на
искробезопасность выполнено с помощью искровой камеры БВК-3.
RН
КГШИ  230 м
Заземляющая
жила
RЗ
Рис. 3. Электрическая схема установки
вынесенного потенциала э.д.с. коммутации
PS
для
БВК-3
исследования
В табл. 2 приведены амплитудные значения величин вынесенных
потенциалов
импульсных
э.д.с.
Импульс
носит
затухающий
колебательный характер, двуполярен.
Для оценки искроопасности вынесенного потенциала проведены
испытания на искробезопасность контура, образованного сопротивлением
местного заземлителя, заземляющей жилы кабеля КГШИ и землей (рис. 3).
153
Испытания на искробезопасность указанного контура при
коммутации тиристора в сети 660 В показали следующее. Первое
испытание на искробезопасность
проведено при сопротивлении
заземлителя, равном 100 Ом. Всего камерой БВК-3 было сделано 784
коммутации и произошло 17 взрывов. Следовательно, такой контур с
вынесенным потенциалом 226 В является искроопасным. При
испытаниях, проведенных при сопротивлениях заземлителей 10 и 20
Ом, не произошло ни одного взрыва метановоздушной смеси. Как
видно из табл. 2, амплитудные значения напряжений вынесенных
потенциалов для сети 660 В при сопротивлении заземлителей 10 и 20
Ом соответственно составляли 57 и 97 В. При сопротивлении
заземлителя 30 Ом из 16 тыс. коммутаций БВК-3 произошло 6 взрывов.
При этом напряжение вынесенных э.д.с. составляло 132 В. С
увеличением сопротивления заземлителя до 35 Ом, где э.д.с. выноса
составила 150 В, уже из 9320 коммутаций БВК-3 произошло 17 взрывов.
Следовательно, при сопротивлениях заземлителей более 30 Ом при
коммутации в сети напряжением 660 В контур, образованный
дополнительным проводником и землей, вследствие протекания в нем
вынесенных э.д.с. является искроопасным.
Таблица 2
Величины вынесенного потенциала UЭ.Д.С. в зависимости от
сопротивления заземлителя RЗ и длительность его затухания t
RЗ, Ом
200
170
140
110
80
50
35
30
20
10
5
3
1
Uсети = 380 В
Uсети = 660 В
Uсети = 1140 В
UЭ.Д.С., В
t, мкс
UЭ.Д.С., В
t, мкс
UЭ.Д.С., В
t, мкс
146
140
130
117
98
71
54
47
32
24
24
24
24
117
115
115
94
90
90
93
120
120
167
131
120
115
261
253
242
226
226
181
150
132
97
57
43
39
37
123
104
104
99
95
96
92
109
95
165
106
95
100
469
418
395
367
328
262
215
197
148
96
96
95
92
234
233
231
226
226
201
201
196
183
142
101
95
95
При проведении аналогичных исследований в сети 1140 В
граничным сопротивлением заземлителя, выше которого контур с
154
вынесенным потенциалом становится искроопасным, является
величина 20 Ом. При этом сопротивлении заземлителя из 16 тыс.
коммутаций в камере БВК-3 произошло 6 взрывов газовой смеси, а при
увеличении величины сопротивления местного заземлителя до 25 Ом
17 взрывов произошло уже из 7912 коммутаций в искровой камере.
Полученный результат свидетельствует о том, что при величинах
сопротивлений местных заземлителей, превышающих 20 Ом,
происходящие в силовой сети коммутации будут формировать такие
величины вынесенных э.д.с., которые будут являться причиной взрыва
метановоздушной среды.
При напряжении в силовой сети 380 В, как видно из табл. 2,
вынесенная э.д.с. достигает 150 В. Испытания на искробезопасность
проведены при
Rз = 120 и 110 Ом. В обоих случаях контур,
образованный проводником выноса потенциала и землей, оказался
искроопасным. Искробезопасность его достигается только при снижении
сопротивления заземлителя до 80 Ом. Таким образом, при коммутации
в силовой сети напряжением 380 В вынесенный потенциал э.д.с.
искроопасен, если сопротивление местного заземлителя выше 80 Ом.
Данные о величинах сопротивлений местных заземлителей,
приведенные на рис. 1 и 2, позволяют оценить вероятность выноса
искроопасной э.д.с. в соответствии с условиями поставленного
эксперимента. Так, при коммутации в сети напряжением 1140 В с
заземлителей сопротивлением более 20 Ом может быть вынесен
потенциал, способный воспламенить взрывоопасную смесь. Сопротивления
заземлителей выше 20 Ом у трубно-полосовых составляют около 35%, а у
заземлителей с использованием металлокрепи - 10%. При напряжении
коммутируемой сети 660 В вероятность сопротивлений, при которых э.д.с.
вынесенного потенциала для заземлителей, выполненных такими же
способами, соответственно составляет 30 и 5%. Аналогично определяются
критические значения сопротивлений заземлителей в контуре заземления
для сетей напряжением 380 В. Если заземлитель рассматривается в конце
контура заземления, то его величина должна составлять от 80 Ом и более.
Согласно
представленным
распределениям,
вероятность
такого
сопротивления для заземлителей с использованием конструкций
металлокрепи весьма мала и в дальнейшем может не учитываться.
Вышеприведенные результаты исследований относятся к контуру
заземления, заземлитель в котором размещался в конце кабельной линии.
Однако, как показали исследования, при размещении заземлителя в
начале кабельной линии коммутационные э.д.с. имеют большие величины,
чем в конце контура заземления. В вышеприведенных случаях величина
потенциала выносилась жилой заземления кабеля протяженностью 230 м
и от кабеля до испытательной установки прокладывался контрольный
кабель длиной 10 м. Если из этой линии выноса потенциала исключить
кабель КГШИ длиной 230 м, то характер вынесенного импульса
155
изменяется.
Это изменение заключается в уменьшении времени
затухания процесса, в увеличении амплитуды первого короткого по
времени импульса, а также колебательный процесс становится
практически однополярным с увеличением частоты. Это, очевидно,
является результатом проявления распределенных R-L-C - параметров
кабельной линии.
На рис. 4 приведены величины вынесенных э.д.с. в зависимости от
значения сопротивления местного заземлителя. Сопротивление
местного заземлителя имитировалось в начале контура заземления и с
него снимался потенциал импульсной э.д.с. В качестве проводников, по
которым выносился потенциал э.д.с., использовались упомянутые выше
контрольный кабель и контрольный кабель плюс заземляющая жила
кабеля КГШИ. Коммутация осуществлялась одним тиристором, угол
коммутации принимался близким к 90 эл. град, т.е. прикладывалось
максимальное для данного эксперимента напряжение. Результаты
эксперимента свидетельствуют о том, что величины выносимых э.д.с.
при низких значениях сопротивления заземлителя для различных
проводников, примененных для выноса потенциала, имеют по величине
определенные различия и с увеличением коммутируемого напряжения
это различие увеличивается. С увеличением сопротивления местного
заземлителя это различие постепенно снижается. Зависимости 1, 3, 5
получены при использовании контрольного кабеля; 2, 4, 6 - контрольного
кабеля и заземляющей жилы кабеля КГШИ длиной 230 м.
Испытания на искробезопасность при коммутации тиристора
показали следующее. При коммутации в сети напряжением 1140 В, если
потенциал выносится проводниками контрольного кабеля и жилой
заземления кабеля КГШИ при сопротивлении местного заземлителя,
равном 3 Ом, контур, образованный упомянутыми элементами
искробезопасен, а при Rз = 5 Ом при 4760 коммутаций в камере БВК-3
произошло 17 взрывов. При выносе потенциала только кабелем
контрольным, контур искроопасен уже при Rз = 2 Ом. Судя по графику
рис. 4, это соответствует э.д.с. 300–350 В. При коммутации в сети 660 В
контур, образованный заземлителем, проводником контрольного кабеля
с заземляющей жилой кабеля КГШИ и землей, является
искробезопасным при сопротивлении заземлителя 5; 7 Ом, но при
Rз = 10 Ом из 12982 коммутаций БВК-3 произошло 17 взрывов. При
выносе потенциала э.д.с. только кабелем контрольным контур
искроопасен при Rз = 5 Ом. Согласно графику, соответствующему
напряжению 660 В, этим сопротивлениям в обоих случаях соответствует
э.д.с. в 200 В. При проведении исследовательских испытаний на
искробезопасность вынесенных потенциалов при коммутации в сети
напряжением 380 В установлено, что при сопротивлении заземлителя
20 Ом оба контура, образованные контрольным кабелем КГШИ,
искроопасны. При работе БВК-3 в первом из них на 10880 коммутаций
156
произошло 17 взрывов, во втором контуре 17 взрывов произошло из
12720 коммутаций в искрообразующем механизме БВК-3. Это
соответствует напряжениям на рис. 4 - 132 и 154 В. При снижении
сопротивления заземлителя до 10 Ом оба контура стали
искробезопасными, для первого контура из 17200 коммутаций
произошло 7 взрывов, во втором контуре из 8000 коммутаций не
произошло ни одного взрыва, после чего испытания были прекращены.
1350
В
1050
900
750
600
Е
450
300
150
1
3
5
10
20
RЗ
40
70
Ом
200
157
Рис. 4. Значения вынесенных импульсных э.д.с. в зависимости от
величины сопротивления местного заземлителя в начале контура
заземления:
1, 2 – 380 В;
3, 4 – 660 В;
5, 6 – 1140 В
Таким образом, полученные результаты позволили определить
величины сопротивлений местных заземлителей, вынос потенциала с
которых может быть причиной взрыва метановоздушной смеси, вызванной
коммутационными процессами, происходящими в силовой сети. По
полученным точкам можно провести прямую линию «И–О», приближенно
разделяющую искроопасную и искробезопасную зоны вынесенных
импульсных наводок.
Сравнивая полученные величины вынесенных э.д.с. в начале
контура заземления с величинами э.д.с. в конце контура заземления по их
проявлению с точки зрения искроопасности, можно сделать вывод, что
наводки в начале кабельной линии значительно опаснее с точки зрения
воспламенения метановоздушной смеси.
ВЫВОДЫ
1. При коммутации тиристоров в силовой участковой шахтной сети в
контуре заземления наводятся кратковременные э.д.с., достигающие
напряжения сотен вольт.
2. При определённых значениях сопротивлений заземлителей с них
может быть вынесен потенциал напряжения, способный воспламенить
метановоздушную смесь.
3. Величины сопротивлений, с которых может быть вынесен
искроопасный импульс напряжения, меньше 50 и 100 Ом - сопротивлений
заземляющих жил, контролируемых в системе электроснабжения
забойных машин напряжением 1140 и 660 В соответственно.
4. Опасность проявления вынесенных с заземлителей потенциалов
при коммутации контактных аппаратов требует отдельного рассмотрения.
ЛИТЕРАТУРА
1.
Кизимов
Н.А.,
Колосюк
В.П.
Условия
обеспечения
искробезопасности цепей заземления устройств компенсации емкости
шахтных низковольтных электрических сетей // Вопросы горной
электромеханики: Сб. науч. тр. / МакНИИ. - М.: Недра, 1969. -Т.19. -С. 257 271.
2. Куненко Ф.И., Петриченко В.Ф., Романов Н.И. О величине
сопротивления заземляющей жилы в цепях дистанционного управления
158
шахтными
электрическими
аппаратами
//
Взрывобезопасное
электрооборудование: Сб. науч. тр. / МакНИИ. - М.: Энергия, 1973. - Вып.
IX. -С. 148-151.
3. Взрывобезопасность рудничного электрооборудования. - М.: Недра,
1982. - 208 с.