Электрооборудование и электроснабжение в горной промышленности

К. Н. Маренич, Е. С. Дубинка





                ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ И ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЕ В ГОРНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ




Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 622.012:621.3+622.625.28:621.311
ББК 31.26+34.7+39.217
      М25

   Рекомендовано ученым советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» в качестве учебного пособия для обучающихся образовательных учреждений высшего образования (протокол № 1 от 1 апреля 2022 г.)

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, ректор Г00 ВПО «Донецкий институт железнодорожного транспорта» Чепцов Михаил Николаевич;
доктор технических наук, директор ГУ «Макеевский научно-исследовательский институт по безопасности работ в горной промышленности»
Брюханов Александр Михайлович;
доктор технических наук, профессор, заведующий отделом Республиканского академического научно-исследовательского и проектно-конструкторского института горной геологии, геомеханики, геофизики и маркшейдерского дела Грищенков Николай Николаевич



     Маренич, К. Н.
М25 Электрооборудование и электроснабжение в горной промышленности : учебное пособие / К. Н. Маренич, Е. С. Дубинка. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. - 184 с. : ил., табл.
           ISBN978-5-9729-1268-1

           Изложены основные принципы устройства и функционирования системы электроснабжения горного предприятия, включая технические средства электроснабжения потребителей поверхности, а также специфику устройства и эксплуатации силовых электротехнических комплексов технологических участков шахты. Рассмотрены особенности устройства и функциональных свойств средств обеспечения безаварийной эксплуатации рудничного электрооборудования, а также организационные меры по созданию безопасных условий эксплуатации электрооборудования в условиях шахт. Приведена методика расчета и выбора электрооборудования системы электроснабжения технологического участка шахты.
           Для студентов и аспирантов, изучающих горное дело, горную электромеханику и горную электротехнику.

                                      УДК 622.012:621.3+622.625.28:621.311
                                      ББК31.26+34.7+39.217





ISBN 978-5-9729-1268-1

     © Маренич К. Н., Дубинка Е. С., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

СОДЕРЖАНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ.......................................................5
РАЗДЕЛ 1 УСТРОЙСТВО СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ГОРНОГО
ПРЕДПРИЯТИЯ.......................................................6
   1.1 Горное предприятие - электропотребитель первой категории. Структура и особенности функционирования главной поверхностной и центральной подземной подстанций шахты...................................6
      1.1.1 Принципы построения системы электроснабжения шахты как электропотребителя первой категории...................6
      1.1.2 Средства защиты электрооборудования главной поверхностной подстанции шахты от грозовых перенапряжений...............9
      1.1.3 Средства компенсации реактивной мощности и ограничения токов короткого замыкания в структуре системы высоковольтного
      электроснабжения шахты...................................13
   1.2 Устройство системы электроснабжения подземных горных работ.15
   1.3 Обустройство заземляющей сети горного предприятия.......22
   Вопросы для самоконтроля....................................26
РАЗДЕЛ 2 ОСОБЕННОСТИ ЗАЩИТЫ ОТ ЭЛЕКТРОПОРАЖЕНИЯ
ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ШАХТ
И РУДНИКОВ........................................................27
   2.1 Действие электрического тока на организм человека..........27
      2.1.1 Условия поражения человекаэлектрическим током при прикосновении к токоведущим частям......................29
   2.2 Организационные мероприятия и технические средства предупреждения электротравматизма..............................33
   2.3 Защита от электропоражения при касании человеком элементов электросети, находящихся под напряжением.......................34
      2.3.1 Схемы аппаратов защиты от утечек тока на землю.....35
   Вопросы для самоконтроля.......................................42
РАЗДЕЛ 3 СИЛОВОЕ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ ПОДЗЕМНЫХ
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ШАХТ И РУДНИКОВ.....................44
   3.1 Автоматические выключатели..............................44
   3.2 Шахтные участковые комплектные трансформаторные подстанции.52
   3.3 Магнитные пускатели.....................................59
   3.4 Станции управления......................................71
   3.5 Силовые полупроводниковые пускорегулирующие устройства..73
   3.6 Агрегаты пусковые.......................................75
   3.7 Высоковольтные комплектные распределительные устройства.78
   3.8 Шахтные кабели..........................................83
      3.8.1 Бронированные кабели...............................86
      3.8.2 Гибкие и особо гибкие кабели.......................88
      3.8.3 Контрольные кабели.................................90
      3.8.4 Присоединение и соединение кабелей.................91
   Вопросы для самоконтроля.......................................94

3

РАЗДЕЛ 4 ОБЕСПЕЧЕНИЕ БЕЗАВАРИЙНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ РУДНИЧНОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ В ПОТЕНЦИАЛЬНО ОПАСНЫХ УСЛОВИЯХ.................................................96
   4.1 Метан и угольная пыль в составе шахтной атмосферы как факторы потенциальной опасности взрыва................................96
   4.2 Уровни и виды взрывозащиты рудничного электрооборудования.97
   4.3 Обеспечение искробезопасности слаботочных электрических цепей... 117
   4.4 Принципы и технические средства защиты силовых рудничных электроустановок от токовых перегрузок.......................121
   4.5 Процесс и опасности короткого замыкания в шахтной электрической сети.........................................................123
   4.6 Принципы построения и функционирования устройств максимальной токовой защиты участковых электрических сетей................127
   4.7 Устройства автоматического повторного включения и автоматического включения резерва в системах электроснабжения шахт и рудников.134
      4.7.1 Автоматическое повторное включение..................134
      4.7.2 Автоматическое включение резерва....................135
   Вопросы для самоконтроля.....................................136
РАЗДЕЛ 5 МЕТОДИКА РАСЧЁТА СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УЧАСТКА........................................138
   5.1 Расчёт нагрузок и выбор участковых трансформаторных подстанций .138
   5.2 Выбор кабелей для участка шахты..........................140
   5.3 Расчет и выбор кабелей по нагреву по номинальным (расчетным) токам и механической прочности.....................................141
   5.4 Проверка кабельной сети участка по потере напряжения при номинальных (расчётных) токах электроприёмников..........143
   5.5 Проверка принятых кабелей на термическую стойкость к току короткого замыкания..........................................147
   5.6 Расчет и выбор шахтных низковольтных аппаратов...........148
      5.6.1 Выбор низковольтных аппаратов по номинальному напряжению и номинальному току потребителей..........................148
      5.6.2 Проверка принятых низковольтных аппаратов по отключающей способности................................149
      5.6.3 Выбор уставки срабатывания максимальной токовой защиты силовых низковольтных аппаратов...........................149
      5.6.4 Проверка коэффициента чувствительности максимальной токовой защиты низковольтных аппаратов....................150
      5.6.5 Проверка выбранной низковольтной системы электроснабжения участка по критерию соответствия допустимой ёмкости и снижения сопротивления изоляции сети относительно земли............151
   Вопросы для самоконтроля.....................................152
   Приложения А-К...............................................153
СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ................................................178

4

ПРЕДИСЛОВИЕ
   Уголь - важнейший ресурс целого ряда отраслей промышленности (электро-и теплоэнергетика, металлургия, углехимия и др.). Его добыча подземным способом представляет собой комплекс самых разных взаимосвязанных технологических процессов, каждый из которых осуществляется на основе применения мощного специализированного электромеханического оборудования. Поэтому вопросы, относящиеся к правильному проектированию и эксплуатации технических средств и систем электроснабжения горных предприятий, являются важнейшими, определяющими эффективность отрасли, безопасность и производительность труда шахтёров.
   Комплексному рассмотрению специфики устройства и эксплуатации системы электроснабжения шахты в целом и отдельных её компонентов посвящён материал данного учебного пособия.
   Будучи электропотребителем первой категории, шахта рассматривается в контексте реализации надёжного, бесперебойного электроснабжения как технологических установок поверхности, так и подземных электротехнических комплексов.
   Рассмотрены вопросы устройства и функционирования силовых коммутационных аппаратов, шахтных участковых трансформаторных подстанций (включая перспективные разработки), кабелей и кабельной сети, защит от коротких замыканий, токовых перегрузок электросетей и двигателей потребителей, а также защиты человека от поражения электрическим током при эксплуатации электротехнических комплексов угольных шахт.
   Особое внимание уделено вопросам специфики устройства и эксплуатации силового рудничного электрооборудования в потенциально опасных условиях угольной шахты. Материал, относящийся к уровням и видам взрывозащиты рудничного электрооборудования представлен на основе анализа действующих нормативно-технических документов
   Учебное пособие позволяет также освоить методику расчёта и выбора электрооборудования технологического участка шахты. Учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся в области горного дела, горной электромеханики, горной электротехники.
   Подготовка ученого пособия основана на многолетнем опыте научно-образовательной деятельности, наработках научной школы кафедры «Горная электротехника и автоматика им. Р. М. Лейбова» Донецкого национального технического университета (г. Донецк) в области изучения и совершенствования рудничного взрывозащищённого электрооборудования, средств защиты шахтных электросетей и рудничных электроустановок от аварийных и опасных состояний.

5

РАЗДЕЛ 1 УСТРОЙСТВО СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
ГОРНОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

Учебной цельюраздела является, рассмотрение вопросов устройства и функционирования системы электроснабжения горного предприятия, включая технические средства электроснабжения потребителей поверхности, а также специфику устройства и эксплуатации силовых электротехнических комплексов технологических участков, шахты. Результатом освоения студентами материалов раздела является знание принципов построения системы электроснабжения горного предприятия, назначения и особенностей эксплуатации основных её структурных компонентов.

1.1 Горное предприятие - электропотребитель первой категории.
Структура и особенности функционирования главной поверхностной и центральной подземной подстанций шахты
1.1.1 Принципы построения системы электроснабжения шахты как электропотребителя первой категории
   Горное производство в условиях шахты характеризуется совокупностью взаимосвязанных технологических процессов, каждый из которых предусматривает применение мощного электромеханического оборудования. При этом обязательным условием применения установок шахтного людского подъёма, вентиляции горных выработок, водоотлива, обогрева воздуха в шахтных стволах (в зимний период) является обеспечение непрерывности электроснабжения, что необходимо для обеспечения безопасности персонала. Таким образом, шахта как электропотребитель должна быть отнесена к первой категории электроснабжения.
   Задача обеспечения непрерывного электроснабжения шахты решается на основе резервирования источников электропитания и секционирования шин электропотребителей, что реализуется структурой схемы главной поверхностной (ГПП) и центральной подземной (ЦПП) подстанций (рис. 1.1).
   В соответствии со схемой подача электроэнергии на главную поверхностную подстанцию производится по двум независимым линиям электропередачи трёхфазным напряжением номинального уровня 35 кВ, либо 110 кВ или 220 кВ. Это напряжение подаётся на первичные обмотки трёхобмоточных трансформаторов TV1 и TV2 ГПП, первые вторичные обмотки которых задействованы (в соответствии со схемой) для электропитания напряжением 6 кВ подземных потребителей и подключены к соответствующим вводным распределительным устройствам (В) центральной подземной подстанции. Другие вторичные обмотки трансформаторов ГПП предусмотрены для электропитания напряжением 6 кВ потребителей поверхности.

6

Рисунок 1.1 — Схема подачи электроэнергии потребителям шахты

7

   Гальваническое разделение подземных потребителей от потребителей поверхности позволяет:
   -     избежать параллельного присоединения сопротивлений изоляции электросети поверхности и подземной электросети и этим противодействовать снижению сопротивления изоляции как подземной электросети, так и электросети поверхности;
   -     исключить влияние на режим нейтрали подземных потребителей (обязательно - режим изолированной нейтрали) со стороны электротехнических комплексов поверхности.
   Применение секционных выключателей (С) между системами сборных шин потребителей поверхности, а также секционных высоковольтных распределительных устройств ЦПП обеспечивает выполнение функции автоматического включения резерва (АВР). В случае обесточивания одной из секций потребителей (например, в случае отказа трансформатора TV1 ГПП) секционный выключатель подключит эту секцию к источнику электропитания другой секции (выход трансформатора TV2 ГПП) и этим восстановит электропитание.
   Следует отметить, что система электроснабжения шахты, как и система электроснабжения любого другого электропотребителя строится на основе неукоснительного следования принципу «глубокого ввода электроэнергии». Этот принцип поясняется следующим. Активная мощность любого электропотребителя определяется произведением напряжения, приложенного к потребителю на величину потребляемого им тока. Таким образом, одну и ту же мощность электропотребителя можно обеспечить высоким потребляемым током при малой величине напряжения, либо малым током при высоком напряжении. Первый вариант предполагает применение в линиях электропередачи проводов большого сечения и значительные потери напряжения на сопротивлениях этих линий, что неприемлемо. Поэтому целесообразен и экономически обоснован второй вариант, в соответствии с которым в линиях электропередачи применяют провода малого сечения и, в соответствии с относительно невысокими токами, их эксплуатация сопровождается относительно малыми потерями напряжения, тем более малыми, если их соотносить с высокими уровнями линейных напряжений, подводимых к потребителям.
   Таким образом, принцип глубокого ввода электроэнергии состоит в том, что напряжение высокого уровня подводится посредством линии электропередачи непосредственно к электропотребителю и только в месте расположения последнего преобразуется в напряжение более низкого уровня, соответствующего величине номинального напряжения потребителя. Применительно к схеме ГПП (рис. 1.1) это поясняется тем, что напряжения высокого уровня (обычно, 35 кВ; 110 кВ; 220 кВ) подводятся к ГПП шахты посредством линий электропередачи и на ГПП трансформаторами TV1 и TV2 преобразуются в напряжения 6 кВ, соответствующие по величине номинальным напряжениям сборных шин потребителей поверхности и напряжениям подземной высоковольтной шахтной электросети.

8

1.1.2 Средства защиты электрооборудования главной поверхностной подстанции шахты от грозовых перенапряжений

   Атмосферные (грозовые) перенапряжения возникают при разрядах молнии. Они бывают от прямого удара молнии и индуцированные (набегающие волны перенапряжений). Таким перенапряжениям подвержены, прежде всего высоко

вольтные линии электропередачи, в частности, в местах присоединения к элементам электрооборудования ГПП.
   От прямых ударов молнии электроустановки защищают стержневыми молниеотводами, а от набегающих волн перенапряжений - разрядниками различного исполнения.
   Стержневые молниеотводы состоят из: опоры; молниеприемника, представляющего собой стальной стержень сечением не менее 100 мм² и длиной не менее 200 мм; токоотвода, выполняемого из стали круглого сечения диаметром 6 мм или прямоугольного сечением не менее 48 мм²; заземлителя, выполняемого аналогично защитному. Молниеотвод характеризуется высотой и зоной защиты.
   Зона защиты молниеотвода - часть пространства, внутри которого объект защищён от прямых ударов молнии с определённой степенью надёжности. Зона защиты одиночного стержневого молниеотвода (рис. 1.2 а) определяется выра

жением:

rX     1.6
HTh⁼p' ГД ’


(1.1)

н

                  „_5-5
гдер = 1, если Н < 30 м ; р — i—, если Н >30 м.
V#

   При применении нескольких молниеотводов защитная зона значительно увеличивается (рис. 1.2 б). Зона защиты нескольких стержневых молниеотводов сравнительно небольшой высоты более выгодна, чем установка одного очень вы

сокого молниеотвода.
   Разрядник, применяемый для защиты от набегающих волн перенапряжений, представляет собой искровой промежуток, диэлектрическая прочность которого меньше диэлектрической прочности изоляции. Этот искровой промежуток подключается между фазой линии электропередачи и землёй и исключает утечку тока через разрядник при нормальной работе электрооборудования.
   Работа разрядника поясняется рис. 1.3. При достижении напряжением набегающей волны значения, равного импульсному разрядному напряжению UP, разрядник пробивается и, вследствие изменения волнового сопротивления участка сети, напряжение волны снижается. Дальнейшая деформация волны на разряднике и величина остаточного напряжения Uocr определяются падением напряжения на сопротивлении разрядника при протекании импульсного тока. Вслед за импульсным током через разрядник протекает ток промышленной частоты (сопровождающий ток), величина которого ограничивается сопротивлением разрядника.

9

а)                                                 б)

Рисунок 1.2 - Зона защиты:
а - одиночного стержневого молниеотвода; б - четырех молниеотводов

Рисунок 1.3 - Характеристика работыразрядника

   Простейшим типом разрядника является искровой промежуток (рис. 1.4), состоящий из двух электродов 3, один из которых присоединяют к защищаемому объекту 1, а второй - к заземлителю 5. Искровой промежуток S пробивается при появлении на нём напряжения, превышающего его импульсное разрядное напряжение, и тем самым защищает изоляцию электрооборудования от пробоя.
   Помимо искровых промежутков для защиты высоковольтных линий электропередач от перенапряжений применяют трубчатые, а также вентильные разрядники.
   Трубчатый разрядник состоит

(рис. 1.5) из газогенерирующей трубки 4 из фибры (у разрядников типа РТФ) или винипласта (у разрядников типа РТВ), внутреннего дугогасящего промежутка S1 и внешнего искрового промежутка S2. При возникновении перенапряжения оба искровых промежутка пробиваются, и в разряднике устанавливается дуга сопровождающего тока, поддерживаемая рабочим напряжением. Дуга разогревает стенки трубки, вследствие чего происходит интенсивное выделение газов. Давление в трубке повышается, и образующееся продольное дутье деионизирует внутренний промежуток. В результате дуга интенсивно гаснет.

10

Рисунок 1.4 — Защитный искровой промежуток:
1 — провод, 2 — болтовой зажим, 3 — металлические электроды,
4 — кронштейн для крепления электрода, 5 — металлическая заземляющая конструкция; S — расстояние между электродами

Рисунок 1.5 — Винипластовый трубчатыйразрядник РТВ:
1 — указатель срабатывания; 2 — электрод внешнего искрового промежутка;
3,5 — пластинчатый и стержневой электроды внутреннего промежутка;
4 — изолирующая винипластовая трубка; 6 — хомуты для крепленияразрядника;
S1, S2 — внутренний и внешний искровые промежутки

   Следует отметить, что трубчатые разрядники хорошо работают только при определённых значениях сопровождающих токов: при малых токах количество генерируемых газов может оказаться недостаточным для обеспечения деионизации; большие токи могут вызвать разрыв трубки вследствие чрезмерного выделения газа
   Вентильные разрядники (рис. 1.6) имеют многократный искровой промежуток 1, выполненный из латунных электродов разделённых слюдяными или миканитовыми прокладками и включенный последовательно с ними резистор 2 из винилита или тервита с нелинейной рабочей характеристикой. При повышении напряжения искровые промежутки пробиваются, а электрическое сопротивление резистора снижается и пропускает разрядный ток. При этом напряжение на разряднике снижается, рабочее сопротивление резко увеличивается, а сопровождающий ток уменьшается и при переходе через нулевое значение он прерывается.


11

      Рисунок 1.6 — Вентилъныйразрядник РВП-6:
             1  — искровые промежутки;
             2  — рабочее сопротивление;
             3  — фарфоровый корпус;
4,6 — нижнее и верхнее герметизирующие уплотнения;
                   5 — хомут;
         7 — планка для подключения провода

Рисунок 1.7 — Схема защиты подстанцииразрядниками

   При защите подстанций вентильными разрядниками FB их устанавливают по комплекту на каждую систему или секцию шин (рис. 1.7). Вентильные разрядники присоединяют к шинам через разъединитель Q и подключают к контуру заземления по кратчайшему пути. Для ограничения амплитуды волны перенапряжения, движущейся к подстанции, до безопасного для вентильного разрядника значения на высоковольтных линиях устанавливают трубчатые разрядники FT1. Разрядник FT2 является резервным. Его устанавливают на первой от подстанции опоре, а на линиях с кабельными вставками - на концевых муфтах. Разрядник FT1 устанавливают на расстоянии 200 - 300 м от FT2.

12