книги из ГПНТБ / Электробезопасность на горнорудных предприятиях сборник материалов Республиканской научно-технической конференции

вать несколько общих принфипбв построений систем электроснаб­ жения и дать некоторые рекомендации по улучшению ее режима работы.

Принцип глубокого ввода высокого напряжения, который со­ кратит сети промежуточных напряжений, что уменьшит потери электроэнергии и расход цветного металла; повысит надежность электроснабжения в связи с резким сокращением зоны аварии и уменьшением вероятности ошибочных коммутационных пере­ ключений; уменьшит токи к.з. на вторичном напряжении, т. к, мощность трансформатора станет меньше, чем на крупных ГПП, что позволит в ряде случаев отказаться от громоздких и дорогих выключателей; облегчит задачу улучшения качества напряже­ ния, т. к. не будет резкой разницы в степени разнородности и разноудаленное™ потребителей; упростит проблему развития электроснабжения путем сооружения новых подстанций вблизи вновь возникающих электронагрузок; облегчит и удешевит раз­ витие системы электроснабжения очередями; сократит сроки монтажа подстанций и т. и. С учетом перечисленного, а также на основании анализа многочисленных расчетов, выполненных на кафедре электрификации ДГИ, и аналогичных работ Центрогипрошахта и Ленингипрошахта питание мощных экскаваторов напряжением 35—220 кВ явно экономичнее и, как нам кажется, должно приниматься в большинстве случаев, хотя иногда может быть в настоящее время технически неосуществимым. В этой связи выбор напряжения питающих линий не требует ТЭР, а производится с привязкой к районным сетям места расположе­ ния карьера.

Принцип децентрализации приема и распределения электри­ ческой энергии, заключающийся в дроблении подстанций и максимальном приближении их к экскаваторам, т. е. установкой понизительных трансформаторов на экскаваторе или рядом с ним и присоединением к воздушной линии глубокого ввода по простейшим схемам без сборных шин и выключателей на пер­ вичном напряжении. В этой связи назрела необходимость на­ хождения простых конструктивных и компоновочных решений глубоких вводов. В противоположность сказанному в настоящее время при выполнении ТЭР закладывается принципиально не­ правильный подход: в результате значительной протяженности питающих линий и больших мощностей экскаваторов напряже­ ния 6 и 10 кВ являются явно неэкономичными. Поэтому питание от ГПП осуществляется промежуточным напряжением, как пра­ вило, 35 кВ, что требует установки еще одной понизительной подстанции для преобразования высокого напряжения на рабо­ чее. Дополнительная ступень трансформации увеличивает стои­ мость системы электроснабжения, делает ее менее надежной и,

что характерно, не решает вопросов улучшения режима работы экскаваторного оборудования. В этой связи считаем такой прием ошибочным.

230

Принцип структурного построения, заключающийся s вЫйбЛ-

нении электросетей глубоких вводов по двум схемам: в виде магистральных и радиальных кабельных или воздушных линий напряжением 35—220 кВ. На основании анализа схем электро­ снабжения карьеров и ТЭР получено, что преимущественное распространение имеют магистральные схемы — 70%, радиаль­ ные схемы составляют 30%• Подавляющее число экскаваторов (88%) питаются по магистральным линиям и лишь незначитель­ ная часть (12%) — по радиальных. Качество напряжения при магистральном питании наилучшее при количестве экскаваторов на линии не более трех. Таким образом, для питания мощных экскаваторов можно рекомендовать магистральные глубокие вводы как экономически целесообразные с количеством экскава­ торов на одну линию не более двух—трех. Радиальные глубокие вводы имеют преимущество перед магистральными в части простоты и минимума аппаратов на подстанциях, что повышает надежность работы последних. Однако их применение может вызвать удорожание в питающих линиях и аппаратах на пита­ ющих подстанциях. Применение той или иной схемы, а также вопрос индивидуального питания мощных экскаваторов от соб­ ственных трансформаторов, расположенных вблизи или на экс­ каваторе, требует детального исследования и изучения и оконча­ тельно определяется ТЭР.

Принцип максимума надежности. Экскаваторы карьеров относятся к потребителям второй категории. Вместе с тем, воп­ росы построения надежных схем и определение надежности при сравнении вариантов играют большое значение в экономичности систем, особенно когда сравниваемые варианты имеют равные или близкие капитальные затраты и эксплуатационные расходы. Схемы распределения электроэнергии необходимо строить таким образом, чтобы все ее элементы постоянно находились под нап­ ряжением, благодаря чему (увеличивается надежность. Резерв закладывается в самой схеме: обеспечение при возможности двухстороннего питания, расщепление питающих и распредели­ тельных линий и включение их через отдельные разъединители, применение простой автоматики и т. д. При расчете надежности необходимо определять ее основные количественные критерии: вероятность и среднее время безотказной работы.

Величина и качество напряжения. Как отмечалось выше,

рост мощностей экскаваторов сопровождается повышением нап­ ряжения питающих и распределительных сетей. Для питания особо мощных экскаваторов необходимо применять напряжения ПО—220 кВ. Напряжение 35 кВ во многих случаях становится уже недостаточным и может применяться для экскаваторов сред­ ней мощности. На экскаваторах следует признать, по-видимому, наиболее экономичными напряжения 10 и 0,66 кВ. В отношении качества напряжения необходимо отметить, что большинство действующих схем электроснабжения карьеров не удовлетворя­ ют предъявляемым требованиям по данному вопросу. Так, на-

231

пример, из расчетов следует, что около 40% экскаваторов рабо­ тают с отклонениями напряжения (как в нормальном, так и пиковом режиме), превышающие допустимые и достигающие величины около 50% .Такие отклонения напряжения создают ненормальную работу экскаваторного оборудования и приводят к большому народнохозяйственному ущербу. С целью улучшения режимов напряжения необходимо применять в первую очередь указанные выше мероприятия по рациональному построению всей системы электроснабжения и электрических сетей с приме­ нением глубоких вводов и дробления подстанций с тем, чтобы максимально приблизить их к соответствующим экскаваторам. Во-вторых, в связи с установкой на экскаваторах мощных вы­ соковольтных синхронных двигателей должно найти широкое применение авторегулирование их тока возбуждения в функции реактивной мощности в сети с коррекцией по напряжению. Эти мероприятия в значительной степени обеспечат повышение уров­ ня напряжения и улучшат его качество, а также связанный с ним режим реактивной мощности.

Расчет сетей. Как следует из выполненного анализа наиболь­ шее распространение получили магистральные линии, питающие два н более мощных экскаватора. Их выбор производится по расчетным нагрузкам.и другим параметрам с учетом конпенсирующей способности синхронных двигателей. Однако расчет сетей по условию наименьшего расхода цветного металла в на­ стоящее время не нашел применения. Вместе с тем, выбор сече­ ния линии с учетом последнего в ряде случаев может оказаться целесообразнее, чем без него. Так, например, расчетами установ­ лено, что при длинах линий более 4—5 км и нагрузке не менее ' 3000 кВА сечение, выбранное по условию наименьшего расхода металла, экономически целесообразнее, чем по экономической плотности тока и нагреву. Последнее объясняется тем, что по первому условию такие сети, как правило, проходят по все|и параметрам; по второму — они превышают рекомендуемые для открытых горных работ; по третьему — недопустимые потери напряжения. Таким образом, несмотря на кажущуюся простоту далеко не всех перечисленных принципов и рекомендаций, про­ ектирование систем электроснабжения карьеров, т. е. выбор параметров системы представляет собой довольно сложную ин­ женерно-техническую задачу, решение которой требует кропот­ ливых расчетов и больших затрат времени. В этой связи подоб­ ного класса задачи следует решать посредством составления функции цели и выполнять минимизацию расчетных затрат с соответствующей системой ограничений, а разработанный алго­ ритм послужил бы основой для составлен^ стандартной прог­ раммы, реализуемой на современных математических вычисли­ тельных машинах. Кроме всего положительного, это еще дало бы

возможность выбирать наиболее экономичный вариант, соответ­ ствующий наименьшим приведенным затратам.

232

ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

ЭЛЕКТРОВОЗНОЙ ОТКАТКИ ЖЕЛЕЗОРУДНЫХ ШАХТ

В. Д. ФУРСОВ (Днепропетровский горный институт)

В. А. РЫЖИЙ (П/о «Кривбассруда»)

Безотказность электроснабжения подземной электровозной откатки является одним из важных факторов, определяющих эффективность работы железорудной шахты. В СССР выполнен ряд работ по исследованию надежности систем электроснабже­ ния п электрооборудования подземных разработок шахт [1, 2]. Однако в этих работах не определены параметры надежности систем электроснабжения рудничной электровозной откатки, ус­ ловия эксплуатации которых имеют существенные особенности.

В отличие от обычных шахтных сетей, контактная сеть, помимо передачи электроэнергии, обеспечивает скользящий контакт с токоприемником движущегося электровоза, подвергается воз­ действию динамических нагрузок и электрической дуги. Изоля­ ция подвески контактной сети не защищена от попадания на нее пыли и влаги, что в значительной степени снижает безопасность эксплуатации и увеличивает вероятность отказов в системе электроснабжения. Аппаратура систем подземного тягового электроснабжения также имеет специфические особенности устройства и эксплуатации.

Накопление и анализ статистических данных для определения надежности систем электроснабжения рудничной электровозной откатки представляет теоретический и практический интерес. На основании этого анализа могут быть определены параметры надежности, установлены основные закономерности отказов и разработаны рекомендации для повышения надежности. В 1967— 1972 гг. на ряде шахт Кривбасса авторами проведены исследо­ вания с целью определения параметров эксплуатационной на­ дежности элементов электрооборудования и систем электроснаб­ жения подземной откатки контактными электровозами.

Основным источником информации о количественных харак­ теристиках надежности служили наблюдения, фиксированные в оперативных журналах. Схема сбора информации показана на рис. 1. Принятая методика сбора и обработки информации не требует дополнительных затрат и удовлетворяет требованиям достоверности и полноты информации.

Первичная обработка полученной информации и анализ условий эксплуатации позволяют сформулировать следующие основные положения для выбора математической модели потока отказов и определения параметров надежности систем электро­ снабжения рудничной электровозной откатки.

1. Моменты наступления отказов системы электроснабжения являются случайными величинами и определяются отказами ее

233

Элементов (тяговых Выпрямителей, коммутационной аппаратуры, контактного провода, питающего и отсасывающего кабелей).

При выходе из строя любого из этих элементов система от­ ключается и после восстановления (ремонта или замены) вводится в работу.

Рис. 1. Схема сбора и первичной обработки информации.

2.Время развития отказов, как правило, мало и отказы можно считать внезапными.

3.Система не имеет резерва (за исключением тяговых вы­ прямителей). Восстанавливаемые элементы ремонтируют на месте или заменяют новыми. Переключение на резервный выпря­ митель также можно рассматривать как замену рабочего выпрямителя с соответствующим временем восстановления.

4.Продолжительность времени восстановления системы электроснабжения определяется длительностью выполнения опе­ раций по устранению повреждений. Большая часть отказов в системе электроснабжения рудничной электровозной откатки вы­ зываются самоустраняющимися причинами: перегрузками, пере­ ходящими короткими замыканиями и др., в результате которые происходит автоматическое отключение тяговой подстанции защитой.

Эти отказы могут быть ликвидированы за счет действия устройств автоматического повторного включения (АПВ), или автоматического включения резерва (АВР), тогда время восста­ новления будет минимальным.

В любом случае время восстановления включает в себя тех­ нически необходимое время включения электроаппаратов систе­ мы электроснабжения е . Эта составляющая для данной системы является величиной постоянной. В качестве случайной величины следует рассматривать лишь время по устранению повреждения,

234

РЫчитай постоянную составляющую е из общего времени вбб* становления и простоя.

5.Время восстановления исправного состояния системы электронабжения при автономной работе ее элементов (без дежур­ ного персонала) может существенно отличаться от времени простоя. Последнее, кроме времени восстановления, включает в себя время от момента отключения до начала поиска причины отказа и принятия необходимых мер по восстановлению или замене отказавшего элемента, а также время от окончания вос­ становления до включения системы в работу. При диспетчерском телемеханическом управлении время простоя существенно умень­ шается (в 4—5 раз) и становится близким к времени восстанов­ ления.

6.Элементы системы электроснабжения в шахтных условиях подвергаются как случайным, так и не случайным внешним

воздействиям. Они периодически проходят через состояния вос­ становления в моменты профилактики, замены или восстанов­ ления отказавших элементов. Отмечено также сезонное измене­ ние интенсивности отказов вследствие изменения влажности и температуры воздуха в шахте. В результате этого может иметь место последействие и нестационарность процесса.

Основными исходными параметрами для определения экс­ плуатационной надежности системы электроснабжения и ее элементов являются: число отказов п в фиксированный проме­ жуток времени АП наработка между отказами tp (время меж­ ду двумя соседними отказами) и время восстановления tB.

Рассматривая эти величины в качестве случайных, можно про­ извести описание потока отказов, применить соответствующую математическую модель и определить основные количественные характеристики надежности: параметр потока отказов (удель­ ную поврежденность), вероятность безотказной работы, интен­ сивность потока отказов, наработку на отказ, среднее время восстановления, коэффициент готовности системы и др.

Для полной характеристики надежности системы необходи­ мо знать соответствующие законы распределения. Наиболее часто в теории надежности полагают, что отказы следуют экспоненциальному закону распределения. Такое допущение приводит к значительному упрощению математического аппара­ та при определении показателей надежности. Однако оно пред­ полагает, что поток отказов является стационарным, ординарным потоком без последствия, т. е. простейшим. Это предположение в большинстве случаев не противоречит истине. Вместе с тем следует учитывать наличие указанных выше внешних воздей­ ствий, в результате которых может иметь место последствие и нестационарность процесса.

Из этого следует, что гипотеза о близости потока отказов к простейшему, в данном случае не является бесспорной и тре­ бует проверки. Вид закона распределения случайной величины

235

можно определить на основе анализа гистограмм, построенный по результатам обработки статистических данных испытаний. В таблицах 1 и 2, в качестве примера приведены статистические данные о времени наработок между отказами t9 и времени восстановления tB системы электроснабжения электровозной откатки горизонта 447 м железорудной шахты им. Орджоники­ дзе (Кривбасс).

Данная система электроснабжения имеет одностороннее пи­ тание контактной сети протяженностью 1 км от необслуживае­ мой одноагрегатной полупроводниковой тяговой подстанции. Возможно включение оперативным персоналом резервного пи­

tii — количество значений случайной величины в интервале;

т

-------частость;

236

ётся, так как вычисленное значение X3 =3,1 меньше табличного

равном 3, вероятность того, что случайная величина распределе­ на по экспоненциальному закону не является малой (р = 0 ,3 ).

жения для указанных условий приведена на рис. 3. При постро­ ении учтено, как указано выше, постоянная составляющая вре­ мени восстановления е = 6 мин.

Рис. 3. Гистограмма и выравнивающая кривая плотности вероятности времени восстановления системы электроснабжения.

Анализ гистограммы времени восстановления показывает, что распределение этой случайной величины наиболее близко согласуется с логарифмически реальным распределением.

ln(tB—Е -ц )

°У 2

где р — математическое ожидание логарифма случайной вели чины;

238

а — среднеквадратическое отклонение логарифма случайной величины.

Проверка согласованности эмпирического и теоретического распределений, произведенная по критерию х2 , показывает, чтовычисленное значение х2 = 10,3 при уровне значимости р 2 0,05 меньше табличного у.3= 11,07, т. е. гипотеза о распределении времени восстановления системы электроснабжения рудничной электровозной откатки по логарифмически нормальному закону не противоречит опытным данным, полученным в условиях экс­ плуатации.

Среднее время восстановления Тв — 21 мин. Доверительный интервал времени восстановления, определенный с помощью специальных таблиц для логарифмически нормального распре­ деления (5) при доверительной вероятности v== 0,9

Полученные характеристики надежности системы позволяют определить дополнительные критерии.

Коэффициент готовности

сутки

раз Годовая повреждаемость р=196------ .

год Статистические данные о повреждаемости в рассматриваемой

Р23 \ ( Р = 196 — — 1

можно ориентировочно принять в качестве параметра потока отказов для системы электроснабжения откатки железорудных шахт Кривбасса (удельная повреждаемость в год при одной под­ станции на 1 км контактной сети).

ЛИТЕРАТУРА

1. М у р а в ь е в В. П., Р а з г и л ь д е е в Г. И. Надежность систем элек­ троснабжения и электрооборудования подземных разработок шахт. М., изд-во «Недра», 1970.

2. К а л и н и ч е н к о В. Ф., Б и н у с М. С., X о д а к В. В., Р ы ж и й В. А. Исследование параметров надежности систем электроснабжения подземных участковых подстанций с телемеханическим управлением. Сб. научных трудов

239