Разработка методов и средств по техническому обеспечению электробезопасности в коротких сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1000 в

На правах рукописи

Амургалинов Самат Токтамысович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ

ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ В КОРОТКИХ СЕТЯХ
С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ
НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В

Специальность 05.26.01 – “Охрана труда (электроэнергетика)”

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Челябинск

2010

Работа выполнена на кафедре электроэнергетики Павлодарского государственного университета имени С. Торайгырова (Республика Казахстан).

Научный руководитель –

Заслуженный деятель Республики Казахстан доктор технических наук, профессор Утегулов Б.Б.

	Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Бухтояров В.Ф.;
		доктор технических наук, профессор Суворов И.Ф.

Ведущая организация

–

государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования ”Уральский государственный технический университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина (УГТУ-УПИ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина)“

Защита состоится 29 апреля 2010 г. в 12оо часов в аудитории 1001 на заседании диссертационного совета Д 212.298.05 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования ”Южно-Уральский государственный университет“ по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, ЮУрГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Уральского государственного университета.

Автореферат разослан “___” марта 2010  г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76, гл. корпус, диссертационный совет Д 212.298.05, тел./факс 8 (351) 267-90-65, e-mail: [email protected].

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

Ю.С. Усынин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема повышения электробезопасности при эксплуатации электроустановок является одним из наиболее важных вопросов в области электроэнергетики на сегодняшний день. Это связано с физическим и моральным старением большей части электрооборудования, а также низким уровнем технического совершенства устройств защитного отключения в коротких электрических сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В. Условия электробезопасности в значительной мере определяются состоянием изоляции, ее сопротивлением и емкостью изоляции фаз относительно земли. Одним из факторов, определяющих безопасность электроустановок с изолированной нейтралью, является сопротивление их изоляции относительно земли. Своевременное выявление и устранение повреждений, сопровождающиеся изменением активной и емкостной составляющих проводимостей изоляции в короткой электрической сети, позволит обеспечить безопасность работ в электроустановках.

В практике эксплуатации электроустановок напряжением до 1000 В необходимо знать действительное состояние изоляции в короткой электрической сети. На основе имеющихся достоверных данных состояния изоляции в электрической сети решаются важные в научном и практическом отношении вопросы, связанные с установлением эксплуатационных норм сопротивления изоляции, разработкой организационных и технических мероприятий по безопасной эксплуатации электроустановок.

По исследованиям устройств защитного отключения и состояния изоляции электрической сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В выполнено ряд работ, которые направлены на повышение уровня электробезопасности в электроустановках.

Развитие теоретических и практических вопросов проблем электробезопасности связано с научными достижениями, которые внесли профессора, доктора технических наук Л.В. Гладилин, М.И. Озерной, Р.М. Лейбов, В.И. Щуцкий, Б.Г. Меньшов, Н.Ф. Шишкин, Б.А. Князевский, Е.Ф. Цапенко, В.Г. Соболев, Ю.Г. Бацежев, В.Ф. Бухтояров, А.И. Сидоров, И.Ф. Суворов, кандидаты технических наук Л.С. Тонкошкур, М.И. Бараш, Ю.В. Ситчихин и другие ученые.

Короткие сети напряжением до 1000 В нашли широкое применение в горнодобывающей отрасли. Исследования устройств защитного отключения и состояния изоляции в коротких электрических сетях, в том числе на экскаваторах ЭКГ-8И не производились.

Для обеспечения критериев электробезопасности при эксплуатации электрооборудования в короткой сети напряжением до 1000 В необходимо рассмотреть в комплексе состояние её изоляции и технические возможности используемого устройства защитного отключения.

На основе вышеизложенного следует, что повышение уровня электробезопасности при эксплуатации электроустановок, основанное на теоретическом и экспериментальном исследованиях по выбору и совершенствованию методов измерения параметров изоляции, по изучению состояния изоляции в короткой сети напряжением до 1000 В, а также оценки устройств защитного отключения в специфических условиях, является актуальной задачей и имеет важное научное и практическое значение.

Связь темы диссертации с государственными программами и с планом работы университета.

Работа выполнялась в соответствии с научной программой лучшего инновационного проекта Акима Павлодарской области “Разработка устройства повышения эффективности защиты от поражения электрическим током человека” по хоздоговорной работе “Разработка метода и средств повышения уровня электробезопасности в сетях напряжением до 1000 В при эксплуатации экскаваторов и буровых станков на угольном разрезе “Екибастузский” ТОО “Ангренсор” и научной целевой комплексной программой Павлодарского государственного университета имени С. Торайгырова по проблеме повышения эффективности систем электроснабжения промышленных и горных предприятий.

Цель работы – получение новых научно обоснованных результатов, которые решают важную научную задачу по техническому обеспечению электробезопасности в коротких сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В путем разработки методов контроля состояния изоляции и средств повышения эффективности устройств защитного отключения в этих сетях.

Идея работы заключается в использовании математических зависимостей определения полной и активной проводимостей изоляции короткой сети от изменения линейного напряжения и напряжения фазы относительно земли после подключения дополнительной активной проводимости между одной из фаз электрической сети и землей; в разработке способа повышения эффективности устройства защитного отключения в короткой сети напряжением до 1000 В путем увеличения емкости фаз относительно земли.

Методика выполнения работы. В ходе выполнения работы над диссертацией использовались методы теории электрических цепей, методы математического анализа исследования функций переменных. Проведен анализ сведений из литературных источников, которые необходимы для решения задач, выполняемых в процессе исследований.

Основные научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:

1.	Метод определения параметров изоляции в трехфазной симметричной короткой электрической сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В.
2.	Метод определения проводимости, снижающей уровень изоляции фазы электрической сети при повреждении изоляции этой фазы относительно земли, полной, активной и емкостной проводимостей изоляции в трехфазной несимметричной короткой электрической сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В.
3.	Методика определения параметров состояния изоляции в трехфазной симметричной короткой электрической сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В.
4.	Методика определения параметров состояния изоляции в трехфазной несимметричной короткой электрической сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В.
5.	Впервые получены числовые значения параметров изоляции в электрической короткой сети напряжением до 1000 В на экскаваторе ЭКГ-8И. При этом установлено, что сопротивление изоляции обусловлено активным сопротивлением, которое характеризует свойства диэлектрика изоляционного материала токоведущих частей проводников относительно земли. Емкостное сопротивление выше активного сопротивления изоляции в короткой сети напряжением до 1000 В.
6.	Установлено, что используемые устройства защитного отключения по своим техническим характеристикам не обеспечивают эффективную защиту от поражения электрическим током человека в короткой сети напряжением до 1000 В, поскольку ток однофазного замыкания на землю в этой сети имеет значение меньше, чем ток уставки срабатывания устройства защитного отключения.
7.	Способ повышения эффективности защитного отключения в короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: обоснованностью исходных положений, вытекающих из основ теории электрических цепей и фундаментальных законов естественных наук; удовлетворительным совпадением качественных характеристик результатов теоретических исследований с результатами экспериментов, выполненных в реальных коротких сетях, достаточным объемом и результатами экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в разработке:

1.	математических зависимостей определения:

• параметров изоляции в симметричной короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В на основе измерений величины модуля напряжения фазы относительно земли до и после подключения между ней и землей активной дополнительной проводимости;
• параметров изоляции в симметричной короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В на основе измерений величин модулей линейного напряжения и напряжения фазы относительно земли после подключения между ней и землей активной дополнительной проводимости;
• значения активной проводимости, снижающей уровень изоляции между одной из фаз сети и землей, и параметров изоляции в несимметричной короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В на основе измерений величин модулей линейного напряжения и напряжения фазы относительно земли до и после подключения между ней и землей активной дополнительной проводимости;

2.

способа повышения эффективности защитного отключения в короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В, основанного на наложении постоянного тока на трехфазную сеть с током фиксированной уставки срабатывания защиты от повреждения изоляции какой-либо фазы относительно земли, где при прикосновении человека к токоведущим частям электрооборудования производится отключение напряжения устройством защитного отключения за счет увеличения емкости фаз относительно земли.

Практическое значение работы состоит в разработке:

• способа повышения эффективности защитного отключения в короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В, направленного на техническое обеспечение электробезопасности;
• методики определения параметров состояния изоляции в трехфазной симметричной электрической короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В;
• методики определения параметров состояния изоляции в трехфазной несимметричной электрической короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В.

Разработанные методики обеспечивают удовлетворительную точность, простоту и безопасность производства работ при определении искомых величин, с учетом которых анализируется состояние электробезопасности при эксплуатации электрооборудования.

Реализация выводов и результатов работы. Разработанная методика определения параметров состояния изоляции в трехфазной симметричной электрической короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В внедрена на угольном разрезе “Екибастузский” ТОО “Ангренсор”. Социальный эффект от внедрения результата заключается в техническом обеспечении электробезопасности при эксплуатации трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В на экскаваторах.

Апробация работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение: на республиканской научно-теоретической конференции “II Торайгыровские чтения” (Павлодар, 2007); на международной научно-практической конференции “Социально-экономические и исторические предпосылки и приоритеты развития Павлодарского Прииртышья” (Павлодар, 2008); на международной научной конференции молодых ученых, студентов и школьников “VIII Сатпаевские чтения” (Павлодар, 2008); на Международной научно-теоретической конференции “III Торайгыровские чтения” (Павлодар, 2009); на V Международной научно-практической конференции “Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация” (Республика Беларусь, Минск, 2009).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 14 научных работ, также получено одно положительное решение на изобретение.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложенных на 135 страницах машинописного текста, содержит 5 таблиц, 20 иллюстраций, библиографию из 83 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и идея исследований, а также представлены научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Сформулированы научные положения, выносимые на защиту. Отражен уровень апробации и объем публикаций по теме диссертации.

В первой главе проведены анализ состояния вопроса и обоснование задач исследования. Проведены исследования критериев электробезопасности при эксплуатации трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В.

Исследования методов определения параметров изоляции электрической сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В характеризуют актуальность разработок методов для обеспечения роста уровня электробезопасности при эксплуатации электроустановок.

Анализ устройств защитного отключения показал, что их технические параметры не могут соответствовать критериям электробезопасности в коротких электрических сетях.

На основе вышеизложенного для обеспечения роста уровня электробезопасности при эксплуатации трехфазной электрической короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В сформулированы следующие задачи:

1.	Разработать методы определения параметров изоляции в симметричной и несимметричной электрической короткой сети;
2.	Провести экспериментальные исследования состояния изоляции и тока однофазного замыкания на землю в короткой сети напряжением до 1000 В;
3.	Провести исследование устройства защитного отключения по отношению к критериям электробезопасности при нормальном и аварийном режимах в трехфазной электрической короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В.
4.	Разработать способ повышения эффективности защитного отключения в короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В.

Во второй главе разработан метод определения параметров изоляции в симметричной короткой сети напряжением до 1000 В.

Для обеспечения роста уровня электробезопасности при эксплуатации низковольтного запитанного от короткой сети электрооборудования разработан метод определения параметров изоляции в сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В, основанный на измерении величины модуля напряжения фазы относительно земли до и после подключения между ней и землей активной дополнительной проводимости. По измеренной величине модуля напряжения фазы относительно земли и до и после подключения дополнительной проводимости , а также с учетом величины дополнительной проводимости параметры изоляции определяются путем использования математических зависимостей:

• полная проводимость изоляции сети

,

(1)

• активная проводимость изоляции сети

.

(2)

Емкостная проводимость изоляции определяется как геометрическая разность между полной и активной проводимостями изоляции сети.

На основе полученных результатов случайных относительных среднеквадратичных погрешностей определения полной, активной и емкостной проводимостей изоляции в симметричной сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В, находящихся под рабочим напряжением, строятся зависимости:

; ; ,

представленные на рис. 1, рис. 2 и рис. 3.

Рис. 1. Относительные среднеквадратичные погрешности определения полной проводимости изоляции сети		Рис. 2. Относительные среднеквадратичные погрешности определения активной проводимости изоляции сети
	= 0,6; 0,8; 1,2; 1,4; 1,6; 1,8 Рис. 3. Относительные среднеквадратичные погрешности определения емкостной проводимости изоляции сети	Полученные математические зависимости относительных среднеквадратичных погрешностей: полной , емкостной и активной проводимостей изоляции фаз электрической сети с изолированной нейтралью, представленные в графическом исполнении (рис. 1, рис. 2, рис. 3), – свидетельствуют, что величина активной дополнительной проводимости , которая вводится между фазой электрической сети и землей, влияет на достоверность искомых величин. Анализ погрешности показывает, что с целью обеспечения требуемой точности для каждой конкретной сети подбирается величина активной дополнительной проводимости.

Разработанный метод обеспечивает удовлетворительную точность при определении параметров изоляции в трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью, а также простоту и безопасность производства работ в действующих электроустановках напряжением до 1000 В.

В практике эксплуатации электроустановок имеет место динамика изменения нагрузок в зависимости от подключения или отключения электроприемников в узле питания, связанных с технологическими особенностями ведения горных работ. При этом параметры изоляции меняются и носят вероятностный характер. Применяемые методы косвенного определения параметров изоляции, основанные на измерении величин напряжений до и после подключения активной или емкостной дополнительной проводимости между одной из фаз электрической сети и землей содержат погрешность, которая может иметь место из-за динамики изменения нагрузки питания электроприемников.

С целью обеспечения удовлетворительной точности разработанного метода производится замена измерения величины модуля – напряжения фазы относительно земли до подключения активной проводимости между ней и землей на измерение величины модуля – линейного напряжения двух других фаз электрической сети, где не производится коммутация активной дополнительной проводимости между одной из фаз электрической сети и землей.

Так как , то математические формулы определения полной (1) и активной (2) проводимостей примут вид:

• полная проводимость изоляции сети

,

(3)

• активная проводимость изоляции сети

.

(4)

Разработанный метод определения параметров изоляции в симметричной сети в изолированной нейтралью напряжением до 1000 В экспериментально исследовался на его достоверность в производственных условиях. Для этого производилось сравнение результатов определения параметров изоляции разработанного метода с методом амперметра-вольтметра, разработанным в Московском горном институте профессором Л.В. Гладилиным.

Экспериментальные исследования проводились в производственных условиях угольного разреза “Екибастузский” ТОО “Ангренсор” на экскаваторе ЭКГ-8И, где питание электроприемников напряжением до 1000 В производится по короткой сети.

По результатам проведенных экспериментов и обработки результатов методом малой выборки по математическим зависимостям получены вероятностно-статистические характеристики параметров изоляции по разработанному методу и методу амперметра-вольтметра. На основе полученных вероятностно-статистических характеристик параметров изоляции по разработанному методу и методу амперметра-вольтметра, которые сведены в табл. 1, производилось сравнение результатов.

Результаты сравнения вероятностно-статистических характеристик параметров изоляции показывают, что разработанный метод определения параметров изоляции в трехфазной электрической короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В обеспечивает удовлетворительную точность, так как значения среднеквадратичных погрешностей единичных измерений и относительные среднеквадратичные погрешности разработанного метода и метода амперметра-вольтметра содержат хорошую сходимость.

На основе вышеизложенного следует, что разработанный метод определения параметров изоляции в трехфазной электрической короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В обеспечивает удовлетворительную точность по сравнению с методом амперметра-вольтметра. Следует особо отметить, что разработанный метод определения параметров изоляции в трехфазной электрической короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В более безопасен по сравнению с методом амперметра-вольтметра, а также прост по сравнению с другими методами контроля состояния изоляции и поэтому может быть рекомендован к внедрению для контроля состояния изоляции под рабочим напряжением в электроустановках напряжением до 1000 В.

Таблица 1

Вероятностно-статистические характеристики параметров изоляции в электрической короткой сети напряжением до 1000 В экскаватора ЭКГ-8И угольного разреза “Екибастузский” ТОО “Ангренсор” разработанного метода и метода амперметра-вольтметра

Метод измерения	Пара-метры	Среднее значение параметров сети , 10-5 Cм	Среднеквадратич-ная погрешность единичного результата , 10-5 Cм	Абсолют-ная погрешность , 10-5 Cм	Относите-льная погреш-ность , %
По методу амперметра-вольтметра		2,30 1,40 1,82	0,056 0,042 0,080	0,048 0,036 0,068	2,09 2,57 3,74
По разработанному методу		2,19 1,37 1,71	0,030 0,026 0,035	0,025 0,022 0,030	1,14 1,61 1,75

На основе разработанного метода составлена методика определения параметров изоляции в трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В. Методика обеспечивает удовлетворительную точность при определении искомых величин и способствует росту уровня электробезопасности при эксплуатации экскаваторов.

В третьей главе разработан метод определения параметров изоляции в несимметричной короткой сети напряжением до 1000 В.

Разработанный метод определения проводимости, снижающей уровень изоляции фазы относительно земли, а также полную, активную и емкостную проводимости изоляции фаз электрической короткой сети относительно земли основан на измерении величин модулей линейного напряжения, напряжения фазы относительно земли до и после подключения между ней и землей активной дополнительной проводимости.

По измеренным величинам модулей линейного напряжения и напряжения фазы относительно земли и до и после подключения между ней и землей активной дополнительной проводимости с учетом величины активной дополнительной проводимости производится определение проводимости, снижающей уровень изоляции фазы относительно земли, а также полной, активной и емкостной проводимостей изоляции фаз электрической сети относительно земли напряжением до 1000 В математическими формулами:

• проводимость, снижающая уровень изоляции фазы электрической сети при повреждении изоляции этой фазы относительно земли

,

(5)

• полная проводимость изоляции сети

,

(6)

• активная проводимость изоляции сети

.

(7)

Емкостная проводимость изоляции определяется как геометрическая разность между полной и активной проводимостями изоляции сети.

Разработана методика определения параметров состояния изоляции в трехфазной несимметричной электрической сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В. Методика обеспечивает удовлетворительную точность определения искомых величин, простоту и безопасность производства работ в действующих электроустановках напряжением до 1000 В.

В четвертой главе проведены исследования состояния изоляции и устройств защитного отключения в короткой сети напряжением до 1000 В.

Анализ проведенных исследований состояния изоляции как у нас в стране, так и за рубежом, показал, что исследования состояния изоляции в коротких сетях напряжением до 1000 В не проводились. Кроме того, из общего количества эксплуатируемых коротких сетей значительную долю занимает горнодобывающая отрасль. Так например, питание электроприемников напряжением до 1000 В экскаваторов производится по короткой сети, при этом не исследованы технические параметры устройства защитного отключения по отношению к защищаемой короткой сети напряжением до 1000 В. Следует отметить, что используемые устройства защитного отключения на экскаваторах не соответствуют техническим параметрам, так как они разработаны для шахтных электрических сетей напряжением до 1000 В. Шахтные сети содержат значительные протяженности кабельных линий, которые обладают емкостью, при этом полная проводимость соизмерима с емкостной проводимостью изоляции сети.

В этой связи следует провести исследования состояния изоляции в трехфазной электрической короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В на экскаваторе. Без проведения экспериментальных исследований использование устройств защитного отключения на экскаваторах в сетях напряжением до 1000 В нецелесообразно. На основе числовых значений параметров изоляции, тангенса угла диэлектрических потерь и тока однофазного замыкания на землю можно произвести оценку работы устройства защитного отключения на экскаваторе. Экспериментальные исследования параметров изоляции, тангенса угла диэлектрических потерь и тока однофазного замыкания на землю позволяют оценить состояние сети напряжением до 1000 В с точки зрения электробезопасности производства работ при эксплуатации экскаваторного электрооборудования.

В качестве устройств контроля изоляции, предусмотренных ПТБ, на исследуемых экскаваторах на Екибастузских угольных разрезах применяются реле утечки типов УАКИ и РУ-2М, которые по причине несоответствия технических возможностей этих аппаратов защит к параметрам изоляции электрических сетей экскаватора не выполняют защиту людей от поражения электрическим током.

Опыт эксплуатации горного электрооборудования, а также в соответствии с требованиями “Правил безопасности в угольных и сланцевых шахтах” (ПБ) положительно рекомендованы в качестве устройства защитого отключения реле утечки типа УАКИ, которые по своим техническим характеристикам предназначены для шахтных участковых сетей напряжением до 1000 В. Шахтные сети напряжением до 1000 В содержат протяженные разветвленные кабельные линии, от которых запитаны электроприемники горных машин и комплексов.

Следовательно, для надежной и эффективной работы реле утечки УАКИ необходимо пересмотреть принципы электроснабжения потребителей экскаватора и привести параметры их электрических сетей в соответствие с техническими данными реле.

Для установления действительных значений основных параметров изоляции электрической короткой сети напряжением до 1000 В на экскаваторе ЭКГ-8И проведены экспериментальные исследования. Измерения проводились по разработанной методике определения параметров изоляции в сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В при нормальном рабочем состоянии электрической короткой сети экскаватора с работающими электроприемниками.

Результаты расчетов экспериментального исследования параметров изоляции и тока однофазного замыкания на землю экскаватора ЭКГ-8И приведены в табл. 2.

В табл. 2 числитель показывает данные математических ожиданий абсолютных величин основных параметров изоляции электрической короткой сети напряжением до 1000 В, а в знаменателе – диапазоны изменения этих же параметров при нормальном рабочем состоянии схемы электроснабжения экскаватора ЭКГ-8И.

Таблица 2

Числовые значения параметров изоляции и тока однофазного замыкания
на землю электрической короткой сети напряжением до 1000 В
экскаватора ЭКГ-8И

, Ом	, Ом	X, Ом	, –	, мА

Примечание. – полное сопротивление изоляции сети; – активное сопротивление изоляции сети; – емкостное сопротивление изоляции сети; – тангенс угла диэлектрических потерь изоляции сети; – ток однофазного замыкания на землю.

На основе полученных данных определена ожидаемая абсолютных величин емкости сети, которая составляет 4,30  10-3 мкФ, а диапазон изменения емкости сети напряжением до 1000 В составляет 4,20–4,42  10-3 мкФ.

Полученные данные показывают, что параметры изоляции электрических коротких сетей изменяются в незначительных пределах и находятся на высоком уровне. Это объясняется, прежде всего, тем, что схема электроснабжения экскаватора не содержит сеть с распределенными параметрами, а емкость сети состоит из емкости фаз относительно земли только электроприемников. Это обуславливает высокий тангенс угла диэлектрических потерь изоляции в короткой сети напряжением до 1000 В экскаватора ЭКГ-8И.

Ток однофазного замыкания на землю в короткой сети напряжением до 1000 В экскаватора ЭКГ-8И имеет малую величину с небольшим диапазоном изменения. Диапазон изменения параметров изоляции сети, тангенс угла диэлектрических потерь и ток однофазного замыкания на землю в сети напряжением до 1000 В обусловлен изменениями напряжения питающей сети.

Таким образом, предварительные результаты экспериментального исследования экскаватора ЭКГ-8И угольного разреза “Екибастузский” ТОО “Ангренсор” убедительно указывают на необходимость дальнейшего, более детального исследования состояния изоляции коротких электрических сетей и анализа полученных статистических данных.

Шахтные электрические сети напряжением до 1000 В содержат кабельные линии, где полные проводимости изоляции сети соизмеримы с емкостной проводимостью изоляции сети, а активные проводимости изоляции на порядок ниже полной и емкостной проводимостей изоляции сети. Поэтому в шахтных сетях токи однофазного замыкания на землю превышают ток уставки устройства защитного отключения. Это позволяет эффективно произвести защиту людей от поражения электрическим током. Эффективность работы устройства защитного отключения в шахтных электрических сетях напряжением до 1000 В приведена в работе профессора В.Е. Манойлова.

Исследования состояния изоляции в короткой сети напряжением до 1000 В экскаватора показали, что сопротивления изоляции обусловлены активным сопротивлением, которое характеризует свойства диэлектрика изоляционного материала, используемого для изоляции токоведущих частей проводников относительно земли. Емкостное сопротивление выше, чем активное сопротивление изоляции в короткой сети напряжением до 1000 В на экскаваторе. Поэтому ток однофазного замыкания на землю в сети напряжением до 1000 В на экскаваторе обусловлен не емкостной составляющей, а активной. В ходе экспериментальных исследований установлено, что ток однофазного замыкания на землю в сети напряжением до 1000 В на экскаваторе ЭКГ-8И угольного разреза “Екибастузский” ТОО “Ангренсор” составляет порядка 5,0 мА. Ток однофазного замыкания на землю в сети напряжением до 1000 В на экскаваторе имеет величину меньшую, чем уставка устройства защитного отключения. Поэтому используемые устройства защитного отключения на экскаваторах по своим техническим характеристикам не обеспечивают эффективную защиту от поражения электрическим током человека в сети напряжением до 1000 В.

В настоящее время отсутствуют причинно-следственные выводы неэффективной работы устройств защитного отключения для защиты людей от поражения электрическим током при эксплуатации короткой сети.

Так как применяемые устройства защитного отключения в короткой сети на экскаваторах работают неудовлетворительно, что приводит к нарушению правил безопасности эксплуатации электрооборудования экскаваторов на горнодобывающих предприятиях, то необходимо разработать устройства защитного отключения для трехфазной электрической сети напряжением до 1000 В на экскаваторах или разработать технические мероприятия по повышению эффективности устройств защитного отключения.

Разработка устройства защитного отключения для трехфазной электрической короткой сети напряжением до 1000 В является задачей сложной и многозатратной, так как необходимо менять принцип действия устройства защитного отключения для трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В. Существующий принцип действия схемы 3В обоснован в 1950-е годы профессором Р.М. Лейбовым. В 1960-е годы данный принцип был детально исследован профессором Н.Ф. Шишкиным в институте горного дела имени А. Скочинского. Все эти исследования проводились для повышения эффективности устройства защитного отключения шахтных электрических сетей напряжением до 1000 В. Исследования устройства защитного отключения в электрической сети напряжением до 1000 В на экскаваторах не проводились.

Наиболее перспективной является разработка технических мероприятий по повышению эффективности устройств защитного отключения в коротких сетях с учетом исследования параметров изоляции в электроустановках напряжением до 1000 В.

Существующий способ защитного отключения в короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В на экскаваторах, основанный на наложении постоянного тока на трехфазную сеть с фиксированной уставкой срабатывания защиты от поражения электрическим током человека, имеет недостаток. Данный недостаток заключается в том, что фиксированная уставка срабатывания защиты от поражения электрическим током человека не позволяет обеспечить защиту человека от поражения электрическим током, так как сеть напряжением до 1000 В на экскаваторе имеет ток однофазного замыкания на землю меньше, чем величина уставки устройства защитного отключения.

Для устранения данного недостатка необходимо разработать способ защитного отключения в сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В на экскаваторах, позволяющий повысить эффективность устройства защитного отключения в короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В.

Повышение эффективности устройства защитного отключения в короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В основано на отключении питания при повреждении изоляции относительно земли за счет увеличения емкости фаз относительно земли.

Способ повышения эффективности защитного отключения в короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В поясняется схемой электрической принципиальной (рис. 4), содержащей: силовой трансформатор Т; выключатель нагрузки QF1, подающий напряжение в электрическую сеть; трехфазную электрическую сеть с фазами А, В, С; электроприемники; выключатель нагрузки QF2, коммутирующий конденсаторы между фазами сети и землей; конденсаторы C1, C2, C3, обеспечивающие увеличение тока однофазного замыкания на землю; выключатель нагрузки QF3, коммутирующий устройство защитного отключения; устройство защитного отключения УЗО; полные проводимости изоляции сети Z1, Z2, Z3.

Рис. 4. Схема способа повышения эффективности защитного отключения
в короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В

Принцип действия схемы способа повышения эффективности защитного отключения в сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В на экскаваторах заключается в следующем. С силового трансформатора Т выключателем нагрузки QF1 подается напряжение в трехфазную электрическую сеть с фазами А, В, С, откуда запитаны электроприемники напряжением до 1000 В экскаватора. Выключателем нагрузки QF2 производится подключение конденсаторов C1, C2, C3 между фазами сети и землей с целью обеспечения увеличения тока однофазного замыкания на землю. Выключателем нагрузки QF3 производится подключение устройства защитного отключения в трехфазную электрическую короткую сеть.

При повреждении изоляции какой-либо фазы электрической сети относительно земли устройство защитного отключения, имеющее фиксированную уставку для сетей с распределенными параметрами, не позволяет произвести отключение выключателем нагрузки QF1 трехфазную электрическую короткую сеть, тем самым возникает опасность поражения электрическим током человека. Устройство защитного отключения не отключает трехфазную электрическую сеть при повреждении изоляции какой-либо фазы относительно земли, так как уставка срабатывания защиты больше, чем ток однофазного замыкания на землю в трехфазной электрической короткой сети. С целью отключения трехфазной электрической сети при повреждении изоляции производится увеличение тока однофазного замыкания в сети путем подключения выключателем нагрузки QF2 конденсаторов C1, C2, C3 между фазами электрической сети и землей. При этом ток однофазного замыкания в трехфазной электрической короткой сети будет больше, чем ток уставки устройства защитного отключения, что приведет к срабатыванию устройства защитного отключения и как следствие - к отключению выключателя нагрузки QF1 силового трансформатора.

Разработанный способ защитного отключения в короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В основан на наложении постоянного тока на трехфазную сеть с фиксированной уставкой срабатывания защиты от повреждения изоляции какой-либо фазы относительно земли, где при прикосновении человека к токоведущим частям электрооборудования производится отключение электрооборудования устройством защитного отключения путем увеличения емкости фаз относительно земли.

Внедрение разработанного способа повышения эффективности защитного отключения в короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В обеспечивает техническую электробезопасность при эксплуатации электроустановок.

Заключение

В диссертационной работе получены новые научно обоснованные результаты, которые решают важную научную задачу по техническому обеспечению электробезопасности в коротких сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В путем разработки методов контроля состояния изоляции и способа повышения эффективности устройства защитного отключения.

Проведенные исследования позволяют отметить следующие основные результаты и сделать выводы:

1. Разработан метод определения параметров в сети с изолированной нейтралью, основанный на измерении величины модуля напряжения фазы относительно земли до и после подключения между ней и землей активной дополнительной проводимости. Применение разработанного метода определения параметров изоляции в короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В позволяет обеспечить контроль состояния изоляции под рабочим напряжением с удовлетворительной точностью и простотой.
2. Разработан метод определения параметров изоляции в короткой сети с изолированной нейтралью, основанный на измерении величин модулей линейного напряжения, напряжения фазы относительно земли после подключения между ней и землей активной дополнительной проводимости. По измеренным величинам модулей линейного напряжения и напряжения фазы относительно земли после подключения между ней и землей активной дополнительной проводимости с учетом величины активной дополнительной проводимости производится определение полной, активной и емкостной проводимостей фаз электрической сети относительно земли с обеспечением удовлетворительной точности.
3. Разработаны методики определения параметров состояния изоляции в трехфазных симметричных и несимметричных коротких электрических сетях с изолированной нейтралью. Методики обеспечивают удовлетворительную точность определения искомых величин, простоту и безопасность производства работ в действующих электроустановках напряжением до 1000 В.
4. Впервые получены числовые значения параметров изоляции в короткой электрической сети напряжением до 1000 В на экскаваторе ЭКГ-8И. При этом установлено, что сопротивление изоляции обусловлено активным сопротивлением, которое характеризует свойства диэлектрика изоляционного материала токоведущих частей проводников относительно земли. Емкостное сопротивление выше активного сопротивления изоляции в короткой сети напряжением до 1000 В.
5. Установлено, что используемые устройства защитного отключения по своим техническим характеристикам не обеспечивают эффективную защиту от поражения электрическим током человека в короткой сети напряжением до 1000 В, поскольку ток однофазного замыкания на землю в этой сети имеет значение меньше, чем ток уставки срабатывания устройства защитного отключения.
6. Разработан способ повышения эффективности защитного отключения в короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В, который основан на наложении постоянного тока на трехфазную сеть с фиксированной уставкой срабатывания защиты от повреждения изоляции какой-либо фазы относительно земли, где при прикосновении человека к токоведущим частям электрооборудования производится отключение электрооборудования устройством защитного отключения путем увеличения емкости фаз относительно земли.
7. Разработанная методика определения параметров состояния изоляции в трехфазной симметричной электрической сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В внедрена на угольном разрезе “Екибастузский” ТОО “Ангренсор”. Социальный эффект от внедрения результата заключается в техническом обеспечении электробезопасности при эксплуатации трехфазной электрической короткой сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В.

Научные публикации по теме диссертации в журналах,

рекомендованных ВАК РФ

Сидоров, А.И. Методика определения параметров изоляции в симметричной сети напряжением до 1000 В / А.И. Сидоров, Б.Б. Утегулов, А.Б. Утегулов, Б.М. Бегентаев, С.Т. Амургалинов, А.Б. Уахитова // Международный научный бюллетень Пражского центра развития. – Прага. – 2009. – № 2. – С. 113–114.

Другие научные публикации по теме диссертации

Утегулов, Б.Б. Разработка алгоритма математической модели автоматического контроля состоянии изоляции в сетях 0,4 кВ городских предприятиях / Б.Б. Утегулов, С.Т. Амургалинов, Ж.Б. Исабеков // Материалы республиканской научно-теоритической конференции “II Торайгыровские чтения”. – Павлодар, 2007. – С. 46–52.

Утегулов, Б.Б. Исследование устройств защитного отключения в сетях напряжением до 1000 В горных предприятий / Б.Б. Утегулов, А.Б. Утегулов, С.Т. Амургалинов, А.Б. Уахитова // Материалы международной научно-практической конференции “Социально-экономические и исторические предпосылки и приоритеты развития Павлодарского Прииртышья”, посвященной 70-летию Павлодарской области. – Павлодар: ПГУ им. С. Торайгырова, 2008. – С. 381–383.

Утегулов, Б.Б. Критерии электробезопасности при эксплуатации коротких электрических сетей напряжением до 1000 В / Б.Б. Утегулов, С.Т. Амургалинов, А.Б. Утегулов, А.Б. Уахитова // Материалы международной научной конференции молодых ученых, студентов и школьников “ VIII Сатпаевские чтения”. – Т. 20. – Павлодар: ПГУ им. С. Торайгырова, 2008. – С. 334–337.

Утегулов, Б.Б. Анализ погрешности метода определения тока однофазного замыкания в несимметричной сети напряжением до 1000 В / Б.Б. Утегулов, А.Б. Утегулов, Б.М. Бегентаев, А.Б. Уахитова, С.Т. Амургалинов // Материалы международной научно-теоретической конференции “III Торайгыровские чтения”. Т3. – Павлодар: ПГУ им. С. Торайгырова, 2009. – С. 299–302.

Утегулов, Б.Б. Методика определения напряжения прикосновения в симметричных сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В / Б.Б. Утегулов, А.Б. Утегулов, А.Б. Уахитова, С.Т. Амургалинов, Б.М. Бегентаев, Б.Е. Машрапов, М.А. Шукралиев // Вестник науки Казахского агротехнического университета имени С. Сейфуллина. – Астана.– 2009. – № 3. – С. 201–205.

Утегулов, Б.Б. Методика определения напряжения прикосновения в несимметричной сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В / Б.Б. Утегулов, А.Б. Утегулов, А.Б. Уахитова, С.Т. Амургалинов, Б.М. Бегентаев, Б.Е. Машрапов, М.А. Шукралиев // Вестник науки Казахского агротехнического университета имени С. Сейфуллина. – Астана.– 2009. – № 3. – С. 182–186.

Утегулов, Б.Б. Исследование безопасности производства работ в сетях напряжением до 1000 В на экскаваторе ЭКГ-8И / Б.Б. Утегулов, А.Б. Утегулов, А.Б. Уахитова, С.Т. Амургалинов, Б.М. Бегентаев // Вестник ПГУ. Серия “Энергетика”. – Павлодар. – 2009. – № 3. – С. 111–114.

Утегулов, Б.Б. Тау ндірісіндегі 1000 В дейінгі кернеу желілеріндегі ошаулану куйін баылаудісін деу / Б.Б. Утегулов, А.Б. Уахитова, С.Т. Амургалинов, М.А.Шукралиев // Вестник науки Казахского агротехнического университета имени С. Сейфуллина. – Астана.– 2009. – № 3. – С. 165–172.

Утегулов, Б.Б. Числовые значения параметров изоляции электрических сетей напряжением до 1000 В экскаватора ЭКГ-8И / Б.Б. Утегулов, А.Б. Утегулов, А.Б. Уахитова, С.Т. Амургалинов, Б.М. Бегентаев // Вестник ПГУ. Серия “Энергетика”. – Павлодар. – 2009. – № 4. – С. 102–107.

Утегулов, Б.Б. Разработка модели автомата Мили для микропроцессорного устройства автоматического контроля изоляции в несимметричных сетях 0,4 кВ в горных предприятиях / Б.Б. Утегулов, Ж.Б. Исабеков, С.Т. Амургалинов, М.А. Шукралиев // Вестник науки Казахского агротехнического университета имени С. Сейфуллина. – Астана.– 2009. – № 3. – С. 192–196.

Сидоров, А.И. Анализ погрешности метода определения параметров изоляции в симметричной сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В / А.И. Сидоров, Б.Б. Утегулов, А.Б.  Утегулов, С.Т.  Амургалинов, А.Б.  Уахитова // Теоретический и научно-практический журнал “Электробезопасность”. – Челябинск: ЮУрГУ. – 2009. – № 1. – С. 16–23.

Амургалинов, С.Т. Разработка метода контроля состояния изоляции в сетях напряжением до 1000 В горных предприятий / С.Т. Амургалинов // Сборник трудов V Международной научно-практической конференции “Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация”. Том. 2. – Минск. – 2009. – С. 9–17.

Утегулов, Б.Б. Экспериментальные исследования метода определения параметров изоляции в сети напряжением до 1000 В на экскаваторе ЭКГ-8И / Б.Б. Утегулов, А.Б. Утегулов, А.Б. Уахитова, С.Т. Амургалинов, Б.М. Бегентаев // Вестник ПГУ. Серия “Энергетика”. – Павлодар. – 2010. – № 1. – С. 153–160.

Амургалинов Самат Токтамысович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ
ПО ТЕХНИЧЕСКОМУ ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТИ

В КОРОТКИХ СЕТЯХ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1000 В

Специальность 05.26.01 – “Охрана труда (электроэнергетика)”

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук