Электрификация объектов при строительстве городских подземных сооружений

 Издание осуществлено при финансовой поддержке ООО «Производственное предприятие шахтной электроаппаратуры»

           РЕДАКЦИОННЫЙ             
              СОВЕТ                 
Председатель                       
Л.А. ПУЧКОВ       президент МГТУ,  
                  чл.-корр. РАН    
Зам. председателя                  
Л.Х. ГИТИС        директор         
Члены редсовета   Издательства МГГУ
А.П. ДМИТРИЕВ     академик РАЕН    
БА. КАРТОЗИЯ      академик РАЕН    
А.В. КОРЧАК       академик МАН ВШ  
М.В. КУРЛЕНЯ      академик РАН     
В.Н. ОПАРИН       чл.-корр. РАН,   
                  директор ИГД СО  
                  РАН              
В.И. ОСИПОВ       академик РАН     
В.Л. ПЕТРОВ       академик МАН ВШ  
АД. РУБАН         чл.-корр. РАН,   
                  зам. директора   
                  ИПКОН РАН        
э.м. СОКОЛОВ      академик МАН ВШ  
КН. ТРУБЕЦКОЙ     академик РАН     
В.А. ЧАНТУРИЯ     академик РАН     

о

  Г.М. Петров

  ЭЛЕКТРИФИКАЦИЯ ОБЪЕКТОВ
  ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ГОРОДСКИХ ПОДЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ



* ш

       Допущено Учебно-методическим объединением вузов Российской Федерации по образованию в области горного дела в качестве учебника для студентов горных вузов и факультетов, обучающихся по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» (квалификация — горный инженер) направления подготовки «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»







о

     МОСКВА
     ИЗДАТЕЛЬСТВО «ГОРНАЯ КНИГА»
     ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ГОРНОГО УНИВЕРСИТЕТА 2011

УДК 621.31:622(075.08)
ББК 31.33
     П 30
     Книга соответствует «Гигиеническим требованиям к изданиям книжным для взрослых» СанПиН 1.2.1253-03, утвержденным Главным государственным санитарным врачом России 30 марта 2003 г. (ОСТ 29.124—94). Санитарно-эпидемиологическое заключение Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека № 77.99.60.953.Д.014367.12.10

     Экспертиза проведена Учебно-методическим объединением высших учебных заведений Российской Федерации по образованию в области горного дела (письмо № 51-75/6 от 30.06.2009)
     Рецензенты:
     •   кафедра «Механизация и автоматизация горных и геологоразведочных работ» Российского государственного геологоразведочного университета (зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. В.В. Алексеев; д-р техн. наук, проф. Ю.В. Шевырев);
     •   д-р техн. наук, зав. отделом А.Т. Ерыгин (ИПКОН РАН)
     Петров Г.М.
П 30 Электрификация объектов при строительстве городских подземных сооружений: Учебник. — М.: издательство «Горная книга», Издательство Московского государственного горного университета, 2011. — 522 с.: ил. (ГОРНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА)
           ISBN 978-5-98672-234-4 (в пер.)
           ISBN 978-5-7418-0668-5
           Описаны принципы электроснабжения и построения схем распределения электроэнергии на предприятиях, строящих городские подземные сооружения. Приведены краткие характеристики основного электрооборудования, применяемого при электрификации строительных площадок поверхностного и подземного комплексов. Изложены основные данные по выбору, расчету и защите кабельных линий и оборудования. Рассмотрены основы электробезопасности, энергетические показатели и показана организация эксплуатации электрохозяйства городских подземных сооружений.
           Г.М. Петров - канд. техн. наук, проф. (кафедра «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий» Московского государственного горного университета).
           Для студентов горных вузов и факультетов, обучающихся по специальности «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» (квалификация - горный инженер) направления подготовки «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».
УДК 621.31:622(075.08)
ББК 31.33


ISBN 978-5-98672-234-4
ISBN 978-5-7418-0668-5

  © Г.М. Петров, 2011
  © Издательство «Горная книга», 2011
  © Издательство МГГУ, 2011
                           © Дизайн книги. Издательство «Горная книга», 2011



9785986 722344

        ПРЕДИСЛОВИЕ


    Электрификация в настоящее время играет существенную роль в развитии всех отраслей народного хозяйства, во всем современном научно-техническом прогрессе.
    Электрификация предприятий строительства городских подземных сооружений имеет важное значение как основная энергетическая база комплексной механизации и автоматизации горных работ. Современные предприятия городского подземного строительства являются крупными потребителями электрической энергии, имеющими характерные особенности, связанные с условиями работы машин и механизмов в подземных условиях (в некоторых случаях газовая среда, большая водообильность и ряд других специфических горно-геологических факторов). Специфика условий подземных выработок строительства городских подземных сооружений обусловила ряд специальных требований к электроснабжению предприятий, к исполнению электрооборудования, применяемого в подземных горных выработках. Это в свою очередь потребовало решения многих проблем, связанных с безопасным применением электрической энергии в подземных выработках, с защитой персонала от поражения электрическим током и т.п. Разработаны, созданы и внедрены разнообразные виды электрооборудования и научные методы безопасного применения электроэнергии в подземных горных выработках предприятий городского подземного строительства.
    Основными горными машинами в городском подземном строительстве являются проходческие щиты и комплексы как зарубежного, так и российского производства, установленная мощность которых достигает несколько тысяч кВт и более. Горные машины и комплексы, особенно большой единичной мощности, требуют применения совершенных систем электроснабжения, способствующих повышению производительности труда.
    Существенное значение имеет повышение напряжения питания горных машин и комплексов. На ряде проходческих

5

комплексов зарубежного производства на технологических площадках устанавливаются сухие трехобмоточные трансформаторы, первичное напряжение которых питается напряжением 6 или 10 кВ. Приводные двигатели мощных роторных рабочих органов проходческого комплекса получают питание от вторичной обмотки трансформатора напряжением 600 В, а другие электропотребители — от другой вторичной обмотки трансформатора напряжением 380 В.
    Успешное внедрение нового электрооборудования, его эксплуатация и техническое обслуживание, повышение экономической эффективности производства зависят от уровня подготовки производственного персонала, в частности инженерного состава предприятий городского подземного строительства.
    Учебник написан в соответствии с программой курса «Электрификация строительства городских подземных сооружений». Изложение данного курса базируется на материале дисциплин «Электрические и электронные аппараты», «Элементы систем автоматики», «Основы электроснабжения горных предприятий», «Автоматизированный электропривод машин и установок горного производства». Вопросы, трактуемые в указанных дисциплинах, излагаются в учебнике применительно к особенностям работы электрооборудования в условиях городского подземного строительства.

        ВВЕДЕНИЕ


    Под электрификацией строительства городских подземных сооружений следует понимать снабжение предприятий электроэнергией от электрических станций и подстанций, а также применение электрического привода как основной движущей силы производственных машин и механизмов.
    В задачу курса «Электрификация строительства городских подземных сооружений» входит изучение вопросов применения электрической энергии (исключая вопросы электропривода) при подземном строительстве городских сооружений в неразрывной связи с рабочими механизмами, технологией производства и организацией труда.
    Применение электрической энергии связано с опасностью как для работающих, так и для самого технологического процесса (угроза пожара или взрыва при соответствующих условиях производства). При этом безопасность становится одним из наиболее важных факторов при электрификации подземных работ.
    С середины XVIII века по 70-е годы XIX века создаются материальные предпосылки для промышленного использования электроэнергии: возрастает потребность в добыче полезных ископаемых, появляются добычные и проходческие машины как объект применения электропривода, а также электрические машины. В этом важную роль сыграли усилия ученых и инженеров многих стран, в том числе и российских (Я.С. Якоби, Ф.А. Пироцкий и др.). Возникают идеи использования электроэнергии для взрывания шпуров (середина XVIII века), для привода машин и освещения. Появляются промышленные установки электромагнитного обогащения руды (40-е годы XIX века). В 70-е годы делаются первые попытки создания электропривода горных машин.
    В 80-е — первой половине 90-х годов XIX века начинается промышленное внедрение электроэнергии в шахтах для сигнализации, связи, стационарного освещения (в России — с 1887 г. на Брянцевской соляной копии, затем на ряде рудников Донбасса). С 1881 г. электропривод постоянного тока начинает

7

применяться для отдельных стационарных установок и транспорта, со второй половины 80-х годов — для забойных механизмов. Большое значение в применении электричества в шахтах имели работы ученых и инженеров ряда стран, в том числе и российских (Д.Л. Лачинов, И.А. Тиме, М.О. Доливо-Доброволь-ский).
    Со второй половины 90-х годов — первой половины 10-х годов XX века начинают применяться электроприводы на основе трехфазного переменного тока. В России первые силовые установки появляются в 1895 г. (Щербиновский рудник в Донбассе). К концу этого периода созданы электродвигатели, пусковая аппаратура, кабели, принципы устройства которых в основных чертах сохранились до нашего времени. Однако ряд факторов (сложность электрических схем, несовершенство конструкций, невысокое качество изоляции, непрерывный рост мощностей и напряжений, применение в подземных выработках напряжения 1 — 3 кВ и др.) усложнили проблему электробезопасности. В России большую роль во внедрении электричества в подземных горных выработках сыграли работы И.А. Тиме, Г.Е. Евреинова, М.М. Федорова.
    В 20-х годах XX века начинается внедрение электрооборудования в забоях газовых шахт, за рубежом создаются взрывобезопасные магнитные пускатели с дистанционным управлением и работоспособные конструкции экранированных кабелей. В России электрификация осуществляется на базе переменного тока с применением единых стандартных напряжений и наиболее благоприятной по условиям безопасности системы с изолированной нейтралью.
    В 30-е — 40-е годы ХХ века создается более совершенная пусковая аппаратура, внедряется дистанционное управление, улучшаются схемы электроснабжения. Возникает задача увеличения напряжения, повышения надежности электрооборудования, особенно кабелей.
    В период 40-х — 50-х годов происходит коренной технический сдвиг. В ряде стран выпускаются взрывобезопасные трансформа

8

торы, пускатели с искробезопасными цепями управления, подготавливается переход на более высокие напряжения. В Советском Союзе к концу этого периода создаются забойные электродвигатели с повышенными длительными мощностями, не уступающие лучшим зарубежным образцам, начинается освоение 660 В, разрабатываются передвижные подстанции, производятся работы по регулируемому приводу забойных машин, что приводит к существенному повышению степени электробезопасности.
    В 60-е годы завершен переход на напряжение 660 В; начата эксплуатация передвижных трансформаторных подстанций, негорючих экранированных кабелей; внедрены безмасляные высоковольтные выключатели, магнитные пускатели с искробезопасными цепями управления, забойные двигатели с длительными мощностями до 150 кВт и более; в области защиты внедряются системы опережающего отключения, автоматической газовой защиты.
    В 70-е — 80-е годы научно-технический прогресс в области электрификации был направлен на расширение области применения электрической энергии в подземных горных выработках и повышению безопасности ее использования, а также на повышение энерговооруженности и устойчивости работы горных машин. Были разработаны комплекс оборудования и кабели на напряжение 1140 В.
    После известных событий в конце ХХ столетия (распад Советского Союза) ряд предприятий по изготовлению горной техники остались на территории стран ближнего зарубежья. В современной России стало все больше применяться электрооборудование зарубежного производства, в которых используются забойные электродвигатели проходческих и добычных комплексов с длительными мощностями до 400 кВт и более. В аппаратуре управления и защиты стали применяться автоматы с большой отключающей способностью (свыше 40 кА).
    В начале XXI века на ряде российских предприятий стала изготавливаться аппаратура рудничного нормального исполнения, которая широко используется при электрификации строительства

9

городских подземных сооружений. Применение данной аппаратуры позволило существенно снизить металлоемкость электрооборудования и его стоимость по сравнению со взрывобезопасной аппаратурой, а также повысить безопасность по сравнению с общепромышленной аппаратурой управления и защиты, используемой в щитах управления проходческих и добычных комплексов зарубежного производства. Кроме этого стала широко использоваться современная аппаратура управления и защиты на базе микропроцессорной техники. При управлении системами электропривода используются микроЭВМ и встроенные микроконтроллеры.
    Наряду с совершенствованием электрооборудования, применяемого в подземных горных выработках, совершенствуются средства и правила по обеспечению электробезопасности.
    В 30-е годы ХХ столетия появляется ряд научных работ по взрыво- и искробезопасности, разрабатываются первые отечественные Правила изготовления взрывобезопасного электрооборудования и методика его испытания. В 50-е — 60-е годы создаются единая теория, методика расчета и испытаний на искро-безопасность, Правила и нормы конструирования искробезопасного электрооборудования.
    Особого внимания заслуживает развитие профилактических мер обеспечения электробезопасности: контроль состояния изоляции электроустановок и защита от утечек тока. Большой вклад в решение этого вопроса был внесен институтами ДПИ, ВНИИВЭ, МакНИИ (В.П. Колосюк, А.Я. Фанин, В.С. Дзюба и др.). Предложен и внедрен целый ряд реле утечки — УАКИ, АЗАК, АЗПБ, АЗШ, АЗУР.
    Важным направлением послужили работы по определению первичных критериев электробезопасности, которые были начаты в горной промышленности в конце 50-х годов (Б.Г. Меньшов). В 60-х — 70-х годах прошлого столетия проводятся исследования, возглавляемые школой МГИ (В.И. Щуцкий, М.И. Бараш, Ю.Г. Бацежев, Н.П. Коренев, А.И. Найденов и др.).

10