669
.pdf
ISSN 2224-9923. Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2012. № 4
ГОРНОЕ ДЕЛО
УДК 621.311 |
© Сапунков М.Л., Костарев И.А., Худяков А.А., 2012 |
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕХОДНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНЫХ ЗАМЫКАНИЙ, ОСНОВАННОЙ НА КОНТРОЛЕ ПУЛЬСИРУЮЩЕЙ МОЩНОСТИ
М.Л. Сапунков, И.А. Костарев, А.А. Худяков
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, г. Пермь, Россия
Исследовано влияние переходного сопротивления в месте замыкания на землю на приращения пульсирующих мощностей поврежденной и неповрежденной линии в сети с изолированной и компенсированной нейтралью.
Исследование влияния переходного сопротивления проведено на основе математического описания процессов при возникновении ОЗЗ в сети. Все необходимые расчеты выполнены с использованием аналитических выражений для приращений пульсирующей мощности на линиях сети, полученных для разных вариантов за-
земления нейтрали. В расчетах величина RП варьировалась от 0 до 1000 Ом. Задавалась степень асиммет-
рии собственных проводимостей фаз линий на землю с возможным отклонением до 20 %. Для сети с компенсированной нейтралью предполагался режим резонансной настройки компенсации.
По результатам расчетов построены кривые зависимости относительной величины приращения пульсирующей мощности от переходного сопротивления в месте ОЗЗ для двух вариантов заземления нейтрали, а именно для изолированного и компенсированного. Построенные кривые выполнены как для поврежденной, так
и для неповрежденной линии. Установлено, что величина RП оказывает большее влияние на переменную
составляющую мощности в сети с изолированной нейтралью по сравнению с сетью с компенсированной нейтралью.
В результате исследований установлено, что наличие переходного сопротивления в месте возникновения ОЗЗ будет существенно уменьшать контролируемые защитой сигналы. Однако достаточно высокая чувствительность датчиков тока и модулей аналогового ввода микропроцессорного устройства защиты позволит обеспечить селективность работы защиты при относительном принципе сравнения контролируемых сигналов.
Ключевые слова: сети среднего напряжения, однофазное замыкание на землю, переходное сопротивление, пульсирующая мощность, изолированная нейтраль, компенсированная нейтраль.
INVESTIGATION OF TRANSITION RESISTANCE
DATA PROTECTION FOR SINGLE PHASE CIRCUITS,
BASED ON A PULSE POWER CONTROL
M.L. Sapunkov, I.A. Kostarev, A.A. Khudiakov
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia
The effect of transient resistance at the site of an earth fault on the increments of pulsating power lines damaged and undamaged in a network with isolated neutral and compensated ones were researched. Investigation of the effect of transient resistance was carried out on the basis of the mathematical description of processes in the erasing of O33 in the network. All necessary calculations were performed using the analytical expressions for the increments of pulsating power on the lines of the network obtained for different variants of neutral grounding.
In calculating the value of RП was varied from 0 to 1000 ohms. The degree of asymmetry of intrinsic conduction
phase lines on the ground with a possible deviation of up to 20 % was determined. The mode is assumed to be resonant setting compensation for a network with a compensated neutral. According to the calculations there were constructed plots of the relative magnitude of the increment of the transition from the pulsating power of resistance in O33 for two variants of neutral grounding, namely for the isolated and compensated neutral grounding .
The constructed curves are made for both damaged and undamaged line. The values of RП has a greater effect
on the variable component of the power network with isolated neutral compared to the network with a compensated neutral. The studies found that the presence of transition resistance at the scene of O33 will significantly reduce the protection of the controlled signals.
However, the relatively high sensitivity of the current sensors and analog input modules of microprocessor protection devices will provide the selectivity of protection at a relative comparison principle controlled by signals.
Keywords: medium voltage systems, line-to-earth fault, transition resistance, throbbing power, isolated neutral, compensated neutral.
111
М.Л. Сапунков, И.А. Костарев, А.А. Худяков
Введение
Ввиду большой доли однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) среди других аварийных повреждений (70–80 %) весьма актуальной является задача разработки эффективной защиты от ОЗЗ [1, 2].
Анализ существующих защит от ОЗЗ показывает, что многие известные устройства не удовлетворяют в полной мере требованиям по селективности и надежности сучетом возможных видов замыкания на землю: устойчивого замыкания (металлического либо через переходное сопротивление), устойчивого или перемежающегося дугового замыкания. Некоторые разработчики утверждают, что в настоящее время не существует универсальной защиты, которая способна однозначно определять поврежденную линию как в сети с изолированной, так и в сети с компенсированной нейтралью[3].
Как вариант решения такой проблемы авторы предлагают применение защиты от ОЗЗ, основанной на новом принципе контроля возникновения замыканий, а именно на контроле приращений пульсирующей мощности (переменной составляющей) трехфазных линий[4, 5].
Аналитические выражения для приращений пульсирующей мощности на линиях сети
Переменная составляющая суммарной мгновенной мощности трех фаз линии зависит от симметрии напряжений и симметрии токов. В случае их абсолютной симметрии переменная составляющая суммарной мгновенной мощности равна нулю. Возникновение в сети ОЗЗ обусловливает несимметрию фазных напряжений относительно земли всех линий сети. Это вызывает изменение мгновенной мощности линии на величину приращения переменной составляющей мощности. Данное обстоятельство позволяет с большой достоверностью находить поврежденную линию среди других линий распределительной сети и является опре-
112
деляющим фактором для создания новой селективной защиты от ОЗЗ.
Значительно усложняет возможность успешного функционирования защит от ОЗЗ наличие переходного сопротивления в месте замыкания, которое уменьшает несимметрию напряжений фаз. Величина этого сопротивления зависит в первую очередь от характера контакта поврежденной фазы с землей. Согласно [8] величина этого сопротивления в некоторых случаях может достигать 100–200 Ом и более, а в отдельных случаях, например при падении оборвавшегося провода воздушной ЛЭП на сухую или мерзлую землю, даже нескольких кОм. В связи с этим актуальной является задача оценки влияния переходного сопротивления в месте возникновения ОЗЗ на эффективность работы новой защиты.
Для проведения исследования необходимо, прежде всего, получить основные аналитические выражения для последующих расчетов. Сделано это на основании упрощенной схемы замещения сети с изолированной (или компенсированной) нейтралью, приведенной нарис. 1.
Распределительная сеть может содержать группу с числом N отходящих от секции шин линий. Любая из них может оказаться поврежденной. На рис. 1 такая линия обозначена индексом α . Одна из неповрежденных линий обозначена индексом β . Все остальные N–2 неповрежден-
ные линии на рис. 1 учитываются одной так называемой «эквивалентной» линией. В общем случае режим заземления нейтрали можно характеризовать комплексной проводимостью YP . Частному случаю
«изолированная нейтраль» будет соответствоватьслучай, когда YP = 0 .
На основании ранее разработанной математической модели [6] выражения для комплексов приращений пульсирующей мощности поврежденной линии α и неповрежденной линии β в случае
замыкании, например фазы А, можно записать в виде:
Влияниепереходногосопротивлениянахарактеристикизащитыотоднофазныхзамыканий
Рис. 1. Схема замещения сети с изолированной (или компенсированной) нейтралью
1) |
для поврежденной линии α : |
|
|
|
λ = |
Y |
|
= |
gP2 + bP2 + YΣТР (gP − j bP ) |
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
P |
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
∆P = |
|
g |
П ( CΣ + λ CТР ) |
U |
CA − |
|
|
|
|
YP + YΣТР |
|
(YΣТР + gP ) |
2 |
+ bP |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y |
|
|
Y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Пα |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
( |
|
|
|
|
YΣ + λ YΣТР + gП |
|
|
|
|
|
gP ,bP |
– соответственно активная и реак- |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
Y |
|
|
+ λ Y |
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
тивная проводимости компенсирующего |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
BΣ |
|
BТР ) |
|
AB |
× |
|
|
|
(1) |
реактора; Y |
|
– суммарная проводимость |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
YΣ + λ YΣТР + gП |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Σ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фаз |
всех |
|
линий |
|
сети |
на |
землю, |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
gП |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
× |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
YΣ = YAΣ + YBΣ + YCΣ ; |
YΣТР |
– |
|
суммарная |
||||||||||||||||||
|
|
|
Y + λ Y |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
× |
|
Σ |
|
|
|
|
|
|
ΣТР |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|
проводимость |
всех |
фаз |
первичной |
об- |
|||||||||||||||||
|
Y |
|
|
|
|
|
|
|
+ Y |
|
|
+ |
|
|
|
|
|
мотки |
ТрП, |
Y |
|
= Y |
|
+ Y |
+ Y |
|
|
; |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
U |
AB |
U |
BC |
|
U |
|
|
|
|
|
AТР |
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Aα |
|
|
|
Bα |
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
ΣТР |
|
|
BТР |
CТР |
|
||||||||||||||
|
|
× |
+Y |
|
|
|
U |
|
|
|
|
|
|
AB |
|
|
|
YAΣ ,YBΣ ,YCΣ |
|
– |
суммарные проводимости |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
Cα |
|
|
CA |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
фаз на землю всех N линий распредели- |
||||||||||||||||||||||
2) |
для неповрежденной линии β : |
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
тельной сети; YAТР , YBТР , YCТР |
|
– проводи- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
gП |
(YCΣ + λ YCТР )UCA − |
|
|
|
мости фаз первичной обмотки ТрП. |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
∆P |
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В выражениях (1) и (2) режим зазем- |
||||||||||||||||||
Пβ |
|
|
|
(YΣ + λ YΣТР )(YΣ + λ YΣТР + gП ) |
ления нейтрали отражается безразмерной |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
Y |
|
|
+ λ Y |
|
U |
|
|
|
|
|
|
|
|
величиной |
λ . В случае сети с изолиро- |
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
|
BΣ |
|
|
|
B.ТР ) |
|
AB |
|
|
|
× |
|
(2) |
ванной нейтралью λ = 0 . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
(YΣ + λ YΣТР )(YΣ + λ YΣТР + gП ) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
× (YAβ U AB + YBβ UBC + YCβ UCA ), |
|
|
|
|
|
Исследование влияния |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
переходного сопротивления |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
где gП |
– величина переходной проводи- |
Для проведения исследования влияния |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
мости |
в |
|
|
месте |
замыкания |
на |
землю, |
переходного сопротивления требуется рас- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сматривать |
величину |
|
∆P* = ∆P / ∆P |
|
|
, |
||||||||||
gП = |
|
|
|
; λ – |
безразмерная комплексная |
|
|
|
|
|
|
|
П |
|
|
П |
П.БАЗ |
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
которая представляет собой модуль отно- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
RП |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
шения переменной составляющей мощно- |
||||||||||||||||||||
величина, введенная для краткости обо- |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
значений, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сти поврежденной (или неповрежденной) |
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
линий к базовой величине. За базовую ве- |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
113 |
|||
М.Л. Сапунков, И.А. Костарев, А.А. Худяков
Рис. 2. Кривые зависимости отношения ∆PП* |
от RП в сети с изолированной (а) с компенсированной (б) |
|||||||||||||||||
|
|
нейтралью: 1 – для поврежденной линии; 2 – для неповрежденной линии |
|
|
||||||||||||||
личину принимается модуль приращения |
при RП = 0 . При компенсированной ней- |
|||||||||||||||||
пульсирующей мощности в сети с изоли- |
трали |
уменьшение сигналов составляет |
||||||||||||||||
рованной нейтралью в случае металличе- |
2,4 %. Это означает, что переходное со- |
|||||||||||||||||
ского замыкания |
( RП = 0 ) |
и |
отсутствия |
противление |
в |
пределах |
10 Ом |
мало |
||||||||||
асимметрии |
собственных |
проводимостей |
влияет на величины приращений пульси- |
|||||||||||||||
фаз линий на землю (YAΣ =YBΣ |
=YCΣ ). При |
рующих мощностей |
на поврежденной |
|||||||||||||||
этом принимались следующие условия: |
и неповрежденной линиях независимо от |
|||||||||||||||||
общий ток замыкания на землю в сети со- |
режима заземления нейтрали. Однако |
|||||||||||||||||
ставлял порядка 30 А; степень асимметрии |
при значениях |
сопротивления порядка |
||||||||||||||||
проводимостей |
фаз |
|
линий |
– 20 |
% |
100 Ом уменьшение сигнала составляет: |
||||||||||||
(Y |
= 0,8Y |
=1,2Y |
); |
|
в случае |
сети |
для сети с |
изолированной нейтралью |
||||||||||
AΣ |
BΣ |
|
|
CΣ |
|
|
|
|
|
|
28,7 %, для сети с компенсированной |
|||||||
скомпенсированной нейтралью принима- |
||||||||||||||||||
лась резонансная настройка дугогасящего |
нейтралью 7,8 %; при R =1000 Ом эти |
|||||||||||||||||
|
|
|
|
П |
|
|
||||||||||||
реактора. Достаточным считалось рас- |
значения будут составлять 89,5 и 46 % |
|||||||||||||||||
смотреть влияние |
на |
∆P* |
переходного |
соответственно. |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
П |
|
|
|
Как видно из рис. 2, а, б, переходное |
|||||||
сопротивления |
в |
диапазоне |
возможных |
|||||||||||||||
сопротивление |
только уменьшает |
полез- |
||||||||||||||||
значений от0 до 1000 Ом. |
|
|
|
|
ный сигнал защиты как на поврежденной, |
|||||||||||||
Путем варьирования |
величины |
RП |
||||||||||||||||
так и на неповрежденной линии. Стоит |
||||||||||||||||||
были проведены расчеты по выражениям |
отметить, что сигнал на неповрежденной |
|||||||||||||||||
(1) и (2). Далее путем отношения к базо- |
линии будет только в том случае, если име- |
|||||||||||||||||
вой величине были вычислены значения |
ется некоторая |
асимметрия |
собственных |
|||||||||||||||
∆P* |
и построены кривые зависимостей |
проводимостей фаз на землю линий сети. |
||||||||||||||||
П |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При симметричной сети приращение пуль- |
|||||||
∆P* |
от R |
(рис. 2, а, б). В ходе анализа |
||||||||||||||||
П |
П |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
сирующей мощности на неповрежденной |
|||||||
результатов исследования было выясне- |
линии будет равно нулю независимо от |
|||||||||||||||||
но, что при величине переходного сопро- |
величиныпереходного сопротивления. |
|||||||||||||||||
тивления 10 Ом в сети с изолированной |
Из |
полученных |
результатов |
также |
||||||||||||||
нейтралью данный параметр уменьшает |
видно, что влияние переходного сопро- |
|||||||||||||||||
сигналы на поврежденной и неповреж- |
тивления на приращение пульсирующей |
|||||||||||||||||
денной линиях максимально на 4,6 % по |
мощности любой линии зависит от ре- |
|||||||||||||||||
сравнению с сигналами на тех же линиях |
жима |
заземления нейтрали |
сети. |
Уста- |
||||||||||||||
114 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Влияниепереходногосопротивлениянахарактеристикизащитыотоднофазныхзамыканий
новлено, что величина RП оказывает
большее влияние на переменную составляющую мощности в сети с изолированной нейтралью по сравнению с сетью с компенсированной нейтралью.
Защита, основанная на контроле пульсирующей мощности, может работать по двум алгоритмам: сравнение сигнала с заданной уставкой (абсолютный принцип) и сравнение между собой приращений пульсирующих мощностей всех защищаемых линий (относительный принцип). В случае работы новой защиты по относительному принципу критерием оценки возможности успешного функционирования защиты является кратность величин сигналов на поврежденной и неповрежденной линиях. В результате исследования выявлено, что
отношение ∆PПα / ∆PПβ не зависит от величины переходного сопротивления.
Заключение
Таким образом, установлено, что наличие переходного сопротивления в месте замыкания на землю не будет влиять на селективность работы защиты, основанной на контроле пульсирующей мощности. Большая величина переходного сопротивления будет обусловливать необходимость применения высокочувствительных датчиков тока и модулей аналогового ввода для обработки первичных сигналов, так как приращения пульсирующих мощностей отдельных линий в значительной степени зависят от величины переходного сопротивления.
Список литературы
1.Шуин В.А., Гусенков А.В. Зашиты от замыканий на землю в электрических сетях 6–10 кВ / НТФ «Энергопрогресс». – М., 2001. – 104 с.
2.Шалин А.И. Релейная защита от замыканий на землю в сетях с резистивным заземлением нейтрали // Ограничение перенапряжений: материалы 4-й Всерос. науч.-техн. конф. – Новоси-
бирск, 2004.
3.Езерский В.Г. Комбинированная защита от однофазных замыканий на землю // Ограничение перенапряжений. Режимы заземления нейтрали. Электрооборудование сетей 6–35 кВ: тр. 4-й Всерос. науч.-техн. конф. – Новосибирск, 2006.
4.Сапунков М.Л., Худяков А.А. Разработка селективной защиты от однофазных замыканий на землю для распределительных сетей 6–10 кВ // Энергетика. Инновационные направления в энергетике: материалы 3-й Всерос. науч.-техн. конф. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-
та, 2010.
5.Способ защиты трехфазной сети от однофазных замыканий на землю: пат. № 2309507 Рос. Федерация / М.Л. Сапунков, Л.М. Сапунков. Опубл. 27.10.2007. Бюл. № 30.
6.Сапунков М.Л., Худяков А.А. Исследование на физической модели распределительной сети характеристик защиты от однофазных замыканий на землю, основанной на контроле пульсирующей мощности// XVI Бенардосовские чтения: материалы междунар. науч.-техн. конф., Иваново, 1–3 июня 2011 г. – Иваново, 2011.
7.Основы теории цепей: учебник для вузов / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин, А.В. Нетушил, С.В. Страхов. – 5-е изд., перераб. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 528 с.
8.Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6–35 кВ. Направленные защиты. Характеристики, особенности применения // Новости электротехники. – 2005. – № 6 (36).
9.Худяков А.А., Сапунков М.Л. Исследование влияния асимметрии провод. фаз линий на землю на функционирования защиты от ОЗЗ // Научные исследования и инновации. – 2010. –
Т. 4, № 2.
10.Типовая инструкция по компенсации ёмкостного тока
замыкания на землю в электрических сетях 6–35 кВ РД 34.20.179 (ТИ 34-70-070-87).
11.Roberts J., Altuve H., Hou D. Review of ground fault protection methods for grounded, ungrounded, and compensated distribution systems / Schweitzer Engineering Laboratories. – Inc. Pullman, WA USA.
115
М.Л. Сапунков, И.А. Костарев, А.А. Худяков
12.Nеw directional ground fault elements improve sensitivity in ungrounded and compensated networks / / Schweitzer Engineering Laboratories / J. Roberts, D. Hou, F. Calero, H. Altuve. – Inc. Pullman, WA USA.
13.Lorenc J., Musierowicz K., Kwapisz A. Detection of the intermittent earth faults in compensated MV Network // IEEE Bologna Power tech Conference. – June 23–26 2003.
14.Zielichowski M., Fulczyk M. Ground-fault overvoltage danger in modern unit-connected generators // IEEE power. – 2002. – Vol. 2.
15.Willems J.L., Ghijselen J.A. Apparent power and power factor concepts in unbalanced and nonsinusoidal situations // IEEE Bologna powertech conference. – 2003.
References
1.Shuin V.A., Gusenkov A.V. Zashity ot zamykaniĭ na zemliu v elektricheskikh setiakh 6–10 kV [Protection against ground faults in networks 6-10 kV]. Moscow: Energoprogress, 2001. 104 s.
2.Shalin A.I. Releĭnaia zashchita ot zamykaniĭ na zemliu v setiakh s rezistivnym zazemleniem neĭtrali
[Relay protection against ground faults in networks with resistor earthed neutral]. 4th vseros. nauch.-tekhn. konf. “Ogranichenie perenapriazheniĭ”, Novosibirsk, 2004.
3.Ezerskiĭ V.G. Kombinirovannaia zashchita ot odnofaznykh zamykaniĭ na zemliu Ogranichenie perenapriazheniĭ. Rezhimy zazemleniia neĭtrali. Elektrooborudovanie seteĭ 6–35 kV [Relay protection against ground faults in networks with resistor earthed neutral // limit surge]. 4th vseros. nauch.-tekhn. konf. “Ogranichenie perenapriazheniĭ”, Novosibirsk, 2006.
4.Sapunkov M.L., Khudiakov A.A. Razrabotka selektivnoĭ zashchity ot odnofaznykh zamykaniĭ na zemliu dlia raspredelitel'nykh seteĭ 6–10 kV [The development of selective anti-phase to ground fault dis-
tribution networks 6-10 kV]. Energetika. Innovatsionnye napravleniia v energetike: 3rd vseros. nauch.- tekhn. konf., Perm, 2010.
5.Sapunkov M.L. Sposob zashchity trekhfaznoĭ seti ot odnofaznykh zamykaniĭ na zemliu [Method of protecting a three-phase network of single-phase earth fault]. Pat. №2309507 Ros. Federatsiia.
6.Sapunkov M.L., Khudiakov A.A. Issledovanie na fizicheskoĭ modeli raspredelitel'noĭ seti kharakteristik zashchity ot odnofaznykh zamykaniĭ na zemliu, osnovannoĭ na kontrole pul'siruiushcheĭ moshchnosti
[Investigation of the physical model of the distribution network security features of the single-phase earth fault, based on the control of pulsatile power]. 16th Benardosovskie chteniia: materialy mezhdunar. nauch.- tekhn. konf., Ivanovo, 2011.
7.Zeveke G.V., Ionkin P.A., Netushil A.V., Strakhov S.V. Osnovy teorii tsepeĭ: uchebnik dlia vuzov [Fundamentals of circuit theory]. Moscow: Energoatomizdat, 1989. 528 s.
8.Shalin A.I. Zamykaniia na zemliu v setiakh 6–35 kV. Napravlennye zashchity. Kharakteristiki, osobennosti primeneniia [Earth fault in networks 6-35 kV. Directional protection. Characteristics features of]. Novosti elektrotekhniki, 2005, no.6 (36).
9.Khudiakov A.A., Sapunkov M.L. Issledovanie vliianiia asimmetrii provod. faz liniĭ na zemliu na funktsionirovaniia zashchity ot OZZ [Investigation of the effect of asymmetry wire. phase lines on the ground in the functioning of the anti-PTG]. Nauchnye issledovaniia i innovatsii, 2010, Vol. 4, no. 2.
10.RD 34.20.179 Tipovaia instruktsiia po kompensatsii iomkostnogo toka zamykaniia na zemliu v elektricheskikh setiakh 6-35 kV [Typical instructions for the compensation of the capacitive earth fault currents in electrical networks 6-35 kV] (TI 34-70-070-87).
11.Roberts J., Altuve H., Hou D. Review of ground fault protection methods for grounded, ungrounded, and compensated distribution systems. Schweitzer Engineering Laboratories. WA USA: Inc. Pullman.
12.Roberts J., Hou D., Calero F., Altuve H. Nеw directional ground fault elements improve sensitivity in ungrounded and compensated networks. Schweitzer Engineering Laboratories. WA USA: Inc. Pullman.
13.Lorenc J., Musierowicz K., Kwapisz A. Detection of the intermittent earth faults in compensated MV Network. IEEE Bologna Power tech Conference, 2003.
14.Zielichowski M., Fulczyk M. Ground-fault overvoltage danger in modern unit-connected generators. IEEE power, 2002, Vol. 2.
116
Влияниепереходногосопротивлениянахарактеристикизащитыотоднофазныхзамыканий
15. Willems J.L., Ghijselen J.A. Apparent power and power factor concepts in unbalanced and nonsinusoidal situations. IEEE Bologna powertech conference, 2003.
Об авторах
Сапунков Михаил Леонидович (Пермь, Россия) – кандидат технических наук, профессор кафедры электрификации и автоматизации горных предприятий Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский просп., 29; e-mail: ilya_kost@mail.ru).
Костарев Илья Андреевич (Пермь, Россия) – ассистент кафедры электрификации и автоматизации горных предприятий Пермского национального исследовательского политехнического уни-
верситета (614990, г. Пермь, Комсомольский просп., 29; e-mail: ilya_kost@mail.ru).
Худяков Антон Александрович (Пермь, Россия) – ассистент кафедры электрификации и автоматизации горных предприятий Пермского национального исследовательского политехнического университета (614990, г. Пермь, Комсомольский просп., 29; e-mail: akhudyakov@mail.ru).
About the authors
Sapunkov Mikhail L. (Perm, Russia) – Ph.D., professor of department for electrification and delfts automation, Perm national research polytechnic university (614990, Perm, Komsomolsky ave., 29; e-mail: ilya_kost@mail.ru).
Kostarev Il'ia A. (Perm, Russia) – teaching assistant of department for electrification and delfts automation, Perm national research polytechnic university (614990, Perm, Komsomolsky ave., 29; e-mail: ilya_kost@mail.ru).
Khudiakov Anton A. (Perm, Russia) – teaching assistant of department for electrification and delfts automation, Perm national research polytechnic university (614990, Perm, Komsomolsky ave., 29; e-mail: akhudyakov@mail.ru).
Получено 10.05.2012
117
ISSN 2224-9923. Вестник ПНИПУ. Геология. Нефтегазовое и горное дело. 2012. № 4
УДК 622.663.3 |
© Николаев А.В., Алыменко Н.И., Николаев В.А., 2012 |
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕКРЫТИЯ РУДОСПУСКА
А.В. Николаев, Н.И. Алыменко*, В.А. Николаев
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия *Горный институт УрО РАН, Пермь, Россия
Отработка шахтного поля на рудниках Верхнекамского месторождения калийно-магниевых солей (ВКМКС) осуществляется по панельно-блоковой схеме. Полезное ископаемое на рудниках ВКМКС залегает таким образом, что в блоках и панелях в основном отрабатываются наклонные пласты. При подобной схеме отработки в блоках (панелях) возникают тепловые депрессии (естественные тяги), вызванные разностью плотностей (удельного веса) воздуха в конвейерном, транспортном и вентиляционным штреках. В блоках, отрабатываемых по восстановлению пласта, тепловые депрессии способствуют проветриванию, а в блоках, отработанных по падению пласта, наоборот, препятствуют требуемому направлению движения воздуха. Для исключения негативного влияния тепловых депрессий на процесс проветривания блоков, отрабатываемых по падению пласта, были предложены схемы, в которых конвейерный штрек будет использоваться в качестве вентиляционного. Согласно расчетам подобная схема вентиляции действительно повысит эффективность проветривания. Однако по мере приближения фронта очистных работ к началу блока через рудоспуски будут увеличиваться утечки воздуха. В связи с этим необходимо разработать устройство, препятствующее утечкам воздуха, но при этом оно должно соответствовать правилам техники безопасности, а ее применение не должно нарушать санитарно-гигиенические условия труда горнорабочих при его эксплуатации.
В статье описано устройство для перекрытия рудоспуска, предназначенное для снижения утечек воздуха в предлагаемой схеме проветривания блоков, отрабатывающих наклонные пласты. Кроме сокращения утечек, данное устройство способствует снижению запыленности воздуха, защите от падения горнорабочих в рудоспуск и исключает возможность «заштыбовки» рудоспуска.
Ключевые слова: рудоспуск, естественная тяга, тепловая депрессия, наклонные пласты, утечка воздуха, свежий воздух, калийный рудник, схема вентиляции.
DEVICE FOR THE OVERLAP OF ORE CHUTE
А.V. Nikolaev, N.I. Alymenko*, V.А. Nikolaev
Perm National Research Polytechnic University, Perm, Russia *Mining Institute, Ural Branch of the Russian Academy
of Sciences, Perm, Russia
Debugging of mine underground storage at Verkhnekamskoe field of potassium and magnesium salts (VKMKS) is realized by panel and block scheme caving. Mineral at VKMKS is bedded in such a way that mainly inclined beds are debugged in panel and blocks. By using such debugging scheme heat drawdowns (natural draughts) generated by tightness difference (density) of air in belt heading, transport drift and gutter are appeared. The schemes with using belt headings as ventilation one are proposed for elimination negative influence of heat drawdown on the blocks` ventilation process. According to calculations, such scheme will permit to increase an effectiveness of ventilation. However, air leakages will grow with the approach of the second workings to the block beginning through ore chutes. Due to that fact, it is considered to be valuable to develop device which will allow overlapping air leakages. Besides, this device shall have to meet requirements of safety engineering and hygiene and sanitary conditions of miners within exploitation.
Within the article, the device for the overlap of ore chute aimed at decreasing air leakages in proposed ventilation system blocks debugging inclined beds is described. Given device contributes to reduce dustiness of air, to protect miners from falls to ore chute and to rule out the possibility of ore chute gumming.
Keywords: ore chute, natural draught, heat drawdown, inclined bed, air leakage, clean air, potassium mine, ventilation system.
118
Устройстводляперекрытиярудоспуска
Введение
В нашей стране и в мире на горнорудных предприятиях большое внимание уделяется внедрению современных средств техники безопасности, обеспечению необходимых санитарно-гигиенических условий труда и устранению производственного травматизма, которые неразрывно связаны с вентиляцией рудников и шахт. При этом затраты электроэнергии на проветривание согласно [1, 2] достигают 30 % от всегоэнергопотребления рудников.
Основной задачей вентиляции рудников является обеспечение рабочих зон свежим воздухом. При этом необходимо стремиться к снижению неуправляемых потерь воздуха, не участвующего в проветривании (утечек), так как в результате их действия в рудники приходится подавать значительно большие объемы воздуха, чем требуется для обеспечения всех рабочих зон, что приводит к увеличению потребления электроэнергии, затрачиваемой на вентиляцию.
На калийных рудниках в основном применяется панельно-блоковая схема подготовки и отработки. Данная схема выполняется таким образом, что панельные (блоковые) конвейерные штреки располагаются под выемочными (транспортными) штреками – так называемые заглубленные конвейерные штреки. Руда при такой схеме выемки полезного ископаемого пересыпается из самоходного вагона (СВ) на конвейер через рудоспускные скважины (рудоспуски). При проветривании блоков (панелей), отрабатывающих наклонные пласты, в них неизбежно возникают тепловые депрессии (естественные тяги), вызванные разностью плотностей (удельного веса) воздуха в сообщающихся выработках. В случае отработки блока по восстанию пласта тепловые депрессии в нем будут способствовать проветриванию, при отработке блока, расположенного по падению пласта, наоборот, тепловые депрессии будут препятствовать требуемому направлению движения воздуха. Несмотря на то
что по абсолютной величине тепловые депрессии имеют сравнительно небольшое значение, в некоторых случаях они реверсируют поток воздуха в конвейерном штреке (при традиционной схеме проветривания). Исключить подобную ситуацию можно, если конвейерный штрек использовать в качестве вентиляционного. Подобный способ проветривания был применен еще в 1957 г. в шахтах Германии для снижения концентрации метана в исходящих струях и очистных выработках, а также для снижения температуры и запыленности воздуха в механизированных забоях [3–5]. Для калийных рудников ВКМКС также предлагалось использовать конвейерный штрек блоков [6, 7], отрабатывающих наклонные пласты, в качестве вентиляционного. В предлагаемых схемах действие тепловых депрессий в блоках и панелях будет совпадать с требуемым.
Описание схемы проветривания блоков калийных рудников
На рис. 1 приведена схема проветривания блока, расположенного по падению пласта, в которой тепловые депрессии обозначены через he1 (тепловая депрессия, действующая между конвейерным и выемочным штреками в пласте АБ) и h’e1 (тепловая депрессия, действующая между конвейерным и выемочным штреками в пласте Красный-2). Подобные схемы хорошо зарекомендовали себя с точки зрения положительного использования тепловых депрессий, однако по мере приближения фронта очистных работ к началу блока (панели) рудоспуски начнут «закорачивать» через себя часть воздуха, поступающего в блок (панель). Согласно работе [8] утечки через рудоспуски могут достигать более 32 % от общего объема воздуха, подаваемого в блок. В других исследованиях за рубежом [9, 10] и в России [11] значение утечек находится в пределах 20–35 %. В связи с этим требовалось разработать устройство, позволяющее снизить утечки
119
А.В. Николаев, Н.И. Алыменко, В.А. Николаев
Рис. 1. Проветривания блока по предлагаемой схеме (разрез по выемочному и заглубленному конвейерному штрекам)
воздуха через рудоспуски в период между разгрузками СВ. При этом к разрабатываемому устройству было предъявлено требование, что оно должно не только способствовать снижению утечек воздуха, но и обеспечивать безопасность, улучшить условия труда и повысить скорость разгрузки СВ.
В настоящее время для обеспечения безопасности труда рабочих рудоспуски закрываются металлической решеткой. Механическое соударение руды о решетку резко увеличивает время разгрузки по сравнению с открытым сечением рудоспуска диаметром 50 или 80 см. В разгружаемой руде встречаются куски, размер которых превышает размер ячейки решетки, поэтому нередки случаи «заштыбовки» рудоспуска, для очистки которого также требуется время.
Применение таких решеток вызывает еще одно нежелательное явление – повышенную запыленность окружающего пространства при разгрузке СВ.
Затраты времени на разгрузку СВ через рудоспуск включаются в общее время цикла (погрузка руды в СВ, движение до рудоспуска, разгрузка руды в рудоспуск и движение СВ до комбайна). Время разгрузки руды согласно [1] может достигать в зависимости от длины хода доставки от 10 до 30 % от суммарного
времени цикла. Таким образом, сокращение времени на разгрузку – это существенный резерв для повышения производительности добычного комплекса.
Известны случаи, когда для исключения «заштыбовки» рудоспуска горнорабочие отказывались от использования решетки, что запрещается правилами безопасности.
Обзор существующих устройств
В настоящее время рудоспуски предлагается оборудовать устройствами, приведенными ниже, вместо металлической решетки.
Затвор для рудоспуска [12] по сравнению с металлической решеткой исключает возможность «заштыбовки» руды и запыленности воздуха. Однако при установке подобного устройства в нижней части рудоспуска не обеспечивается выполнение правил безопасности. Также работу затвора необходимо регулировать дистанционно, т.е. увеличивать время на его закрытие (открытие).
Устройство для перекрытия рудоспуска [13] обеспечивает перекрытие сечения рудоспускной скважины во время между разгрузками СВ. Но при этом также требуется привод дистанционного управления затвором. При этом в момент разгрузки СВ сечение рудоспуска, ис-
120