Исследование параметров электрической сети напряжением 6 кВ Таррорского карьера

Вопросы снижения электротравматизма и обеспечения электробезопасности на предприятиях минерально-сырьевого комплекса находятся в зоне внимания органов технического надзора, предприятий, а также являются предметом широкого круга исследований, связанных с состоянием изоляции электрических сетей, влиянием на нее технических, производственных, климато-метеорологических и иных факторов, контроля изоляции, эффективным функционированием защит от однофазных замыканий (ОЗЗ), режимами нейтрали сети [1–6].

Большой процент аварийных повреждений элементов внутрикарьерного электроснабжения и электрооборудования горных машин приходится на пробой изоляции [2, 7–10]. Проведенный анализ показывает [11–13], что значительное количество пробоев изоляции составляют скрытые повреждения (трещины в изоляторах, заплывающие пробои в кабелях и т. п.), которые происходят в результате естественного старения изоляции, а также воздействия на нее окружающей среды.

Эксплуатация карьерных электроустановок и распределительных сетей в условиях жаркого климата и высокогорья имеет ряд особенностей, которые необходимо учитывать при решении вопросов, связанных с обеспечением электробезопасности [14, 15]. В указанных условиях отмечаются значительные сезонные изменения сопротивления изоляции карьерной сети, которые должны учитывается при выборе уставки устройств защиты [16–18]. Специфические особенности эксплуатации временных и смешанных ваздушно-кабельных сетей карьеров, изменение параметров сетей в зависимости от режима работы электрооборудования и воздействие окружающей среды создают известные ограничения на применимость того или иного типа защиты в конкретных условиях.

Одним из важнейших факторов, определяющих безопасность и бесперебойность электроснабжения потребителей, является состояние изоляции электроустановок [19–22]. Основными параметрами, характеризующими состояние изоляции, являются ток замыкания на землю, полное, активное, емкостное сопротивления [2, 6, 23–25].

Для повышения безопасности и безаварийности электроснабжения карьеров необходимо также повышать общий уровень эксплуатации и осуществлять контроль состояния изоляции в электрических сетях [26–27]. Основной причиной аварий на открытых горных работах является неудовлетворительное состояние изоляции электроустановок и сетей. При решении вопросов повышения безопасности и надежности карьерного электроснабжения и оборудования необходимо уделять первостепенное внимание состоянию изоляции как всей системы электроснабжения, так и ее элементов [28–30].

Состояние изоляции КРС является одним из основных факторов, определяющих безопасность и бесперебойность электроснабжения. Сопротивление изоляции распределительных сетей является случайной величиной, изменяющейся во времени, на которую воздействуют такие факторы, как большая подвижность элементов сетей, условия эксплуатации, метеорологические факторы, несим-метрия напряжений отдельных фаз и др. [31–35].

Таким образом, в системах электроснабжения горнодобывающих предприятий распределительные электрические сети являются слабым звеном, оказывая существенное влияние на надежное, бесперебойное и безопасное электроснабжение. Объясняется это многими факторами: нестационарно-стью сетей; воздействием факторов окружающей среды, например, годовой ход температуры воздуха может в зависимости от географического положения достигать 100 °С; механическими воздействиями на элементы линий электропередачи при их перемещении и при рыхлении горных пород взрывами и т. д. Все сказанное выше не может не отразиться на безопасности персонала, эксплуатирующего распределительные электрические сети подобных предприятий, в первую очередь карьеров, применительно к которым и выстроено содержание данной статьи.

Следовательно определение параметров изоляции карьерных сетей для правильного выбора величина устройств защиты от ОЗЗ, устройств контроля изоляции и решения вопросов надежной эксплуатации сетей необходимо знать параметры сопротивления изоляции. Следует подчеркнуть, что величины сопротивления изоляции влияют на опасность возникновения пожара.

Краткая характеристика карьера «Таррор»

Месторождение «Таррор» находится в Пенд-жикентском районе Согдийской области Республики Таджикистан (РТ). Руды добываются открытым способом. Полезные ископаемые – золото с попутным содержания серебра [6, 21, 36].

По нормам технологического проектирования РТ электроприемники карьера по месту электроснабжения относятся к потребителям III категории. Электроснабжение карьера «Таррор» предусмотрено осуществлять по принципу глубокого ввода с сооружением одной стационарной подстанции 35/6 кВ в карьере. Питание подстанции осуществляется отпайкой от существующей ЛЭП 35 кВ проводом АС-95/18. Подстанция в карьере выполнена по схеме блока линия-трансформатор с установкой выключателя 35 кВ в цепи трансформатора. На подстанции установлен трансформатор мощностью 2,5 МВ·А.

Карьер «Таррор» имеет систему электроснабжения с развитыми воздушными и кабельными сетями 6 кВ и большим количеством подключенного современного электрооборудования. Воздушные сети выполнены проводами разного сечения (35–70 мм2) различных марок: А и АС. Общая протяженность воздушной сети находится в переделах 4,5–6,4 км. Свыше 80 % всей карьерной сети «Таррор» составляют воздушные линии.

Потребителями электроэнергии напряжением 6 кВ на карьере являются экскаватор (BONNY) и буровые станки (SWDA-165С). Силовая сеть выполнена кабелями КГ. Низковольтное электрооборудование получает питание через трансформаторные подстанции типа КТП и ГКТП различных мощностей. Распределение электроэнергии между высоковольтными потребителями осуществляется через приклю-чательные пункты типа ЯКНО-6. Количество потребителей, подключенных к одной линии электропередачи, колеблется от одного до четырёх [36, 37].

Несмотря на малую протяженность линий электропередачи и небольшое число электроприемников, повреждения сетей 6 кВ данного карьера часто приводят к значительному экономическому ущербу. Основной причиной являются повреждения изоляции, приводящие к возникновению ОЗЗ.

В связи с этим одной из перспективных задач, связанных с повышением эффективности и надежности электроснабжения, является непрерывный контроль параметров изоляции электроустановок. Кроме того, для обеспечения надежности электроустановок и бесперебойного электроснабжения необходимо поддерживать изоляцию сети на должном уровне.

Методы исследования и методика измерения сопротивления изоляции

Основной причиной аварий на открытых горных работах является неудовлетворительное состояние сетей. При решении вопросов повышения безопасности и надежности карьерного электроснабжения необходимо уделять первостепенное внимание контролю изоляции. Полная информация о состоянии изоляции электроустановок может быть получена при применении соответствующих методов определения параметров изоляции. Правильный выбор наиболее рациональных методов, а также их дальнейшее совершенствование можно осуществить, зная весь комплекс требований, которым они должны удовлетворять.

Необходимо отметить, что в процессе эксплуатации возникает необходимость периодического определения сопротивления изоляции в КРС. Указанные параметры можно определить либо аналитически, либо экспериментально.

В настоящее время существуют достаточно простые и точные формулы для расчета величины тока замыкания на землю и сопротивления изоляции в общепромышленных сетях с изолированной нейтралью по величине длин воздушных и кабельных линий, электрически связанных между собой. Однако на открытых горных работах, где условия работы сетей электроснабжения значительно отличаются от условий промышленных стационарных сетей, где сопротивление изоляции относительно земли зависит в большей мере от условий окружающей среды и условий эксплуатации и где имеется большое число энергоемкого оборудования, применение этих формул дает значительные погрешности в получаемых результатах (30 %, а в некоторых случаях больше) [2].

Экспериментальные измерения в сетях проводятся либо прямым, либо косвенным методами. Для прямого метода производят искусственное замыкание одной из фаз на землю, что крайне нежелательно по целому ряду причин [6, 13, 18, 27]. При металлическом замыкании на землю при переходном процессе возникают перенапряжения на здоровых фазах относительно земли. В этом случае возможен переход однофазного замыкания в двухфазное замыкание на землю в различных точках сети. На корпусах электрооборудования возникают потенциалы, опасные для обслуживающего персонала, устранить которые простыми средствами не представляется возможным.

Исходя из условия обеспечения электробезопасности при проведении измерений, целесообразно пользоваться косвенными методами измерения. Проведенный анализ существующих методов [2, 3, 6, 8, 9, 23, 28] показал, что в настоящее время на практике в сетях с изолированной нейтралью для определения параметров изоляции используют либо подключение дополнительной активной проводимости, либо дополнительной емкости.

Необходимо особо отметить, что при подключении активной проводимости требуется рассеивать значительную мощность (10 кВт и выше), в результате чего неизбежен значительный температурный дрейф параметров дополнительной актив- ной проводимости, что существенно увеличит погрешность результатов измерений. Кроме того, следует учитывать отсутствие доступных промышленных образцов высоковольтных активных проводимостей, пригодных для использования в установках напряжением выше 1000 В. Подключение дополнительной ёмкости практически не приводит к перенапряжениям в сети, не создаёт опасной ситуации для персонала, а получаемые при этом данные хорошо совпадают с фактическими значениями.

С целью оценки влияния на точность определения параметров изоляции фаз сети относительно земли нами была разработана компьютерная модель с использованием MATLAB/Simulink [6], а также проверена ее адекватность. Следует отметить, что основу составляет компьютерная модель и их блоки, которые подробно рассмотрены в [38–40]. Проведенное исследование погрешностей определения параметров сети относительно земли показало, что в зависимости от несимметрии в сети и изменения величины и вида нагрузки они не превышают 8,3 %. Данный метод может быть использован в КРС с изолированной нейтралью.

На основании исследования метода измерения параметров изоляции относительно земли и оценки его точности, а также для проведения экспериментальных исследований состояния изоляции в КРС разработана методика измерений в реальных электрических сетях напряжением 6 кВ с одновременным контролем различных факторов, влияющих на процесс изменения этих параметров (рис. 1).

Выполненные исследования на компьютерной модели распределительной электрической сети с изолированной нейтралью позволили предложить методику измерения сопротивления изоляции фаз сети относительно земли. Таким образом, с помощью данной методики можно определить суммарную емкость сети относительно земли, сопротивление изоляции фазы сети относительно земли, а также активную и емкостную составляющие тока ОЗЗ. Полученные результаты могут быть использованы для выбора и проверки устройств контроля изоляции и защиты от ОЗЗ.

Результаты и обсуждения исследований

С целью изучения фактических параметров изоляции электрических сетей 6 кВ были произведены измерения полного сопротивления изоляции относительно земли на карьере «Таррор», а также динамика изменения параметров изоляции фаз сети относительно земли от влияния параметров окружающей среды.

Экспериментальные исследования параметров изоляции сетей 6 кВ без снятия рабочего напряжения производились в соответствии с методическими указаниями, разработанными авторами. Измерения проводились на понижающей подстанции «Вачагна» 35/6 кВ.

Экспериментальные измерения параметров изоляции КРС-6 кВ Таррорского карьера проводились в следующем порядке. Измерения производились каждый час, при этом фиксировались температура, относительная влажность окружающего воздуха и солнечная радиация.

Регистрация электрических параметров карьерных сетей 6 кВ проводилась с помощью следующих приборов: цифровой вольтамперфазометр типа РЕТОМЕТР-М2 для измерения линейных и фазных

Рис. 1. Методика измерений в реальных распределительных электрических сетях напряжением 6 кВ Fig. 1. Measurement procedure in real distribution electric networks with a voltage of 6 kV

значений напряжения и мультиметр типа Testo 760-3 для измерения величины напряжения несимметрии между нейтралью трехфазной сети и землей. Искусственная несимметрия напряжений фаз сети относительно земли достигалась путем подключения дополнительной емкости КЭП0-10,5-9-2У1.

В процессе проведения экспериментальных исследований одновременно фиксировались параметры окружающей среды: температура воздуха термоанемометром типа Testo 415; солнечная радиация Protek / DM-301); относительная влажность воздуха термогигрометром типа Testo 625.

В результате экспериментальных исследований по предложенной выше методике определены изменения параметров изоляции фаз сети относительно земли.

На рис. 2–4а, с представлены графики изменения полного сопротивления изоляции фаз сети

а)

b)

c)

Z, кОм

d)

Рис. 2. Влияние температуры на сопротивление изоляции сети относительно земли

Fig. 2. The effect of temperature on the insulation resistance of the network relative to the ground

b)

а)

c)

Рис.3. Влияние солнечной радиации на сопротивление изоляции сети относительно земли

Fig.3. The effect of solar radiation on the insulation resistance of the network relative to the ground

d)

а)

b)

c)

Рис. 4. Влияние относительной влажности на сопротивление изоляции сети относительно земли Fig. 4. The effect of relative humidity on the insulation resistance of the network relative to the ground

d)

относительно земли, полученные на основание измерений, проведенных при нормальной схеме электроснабжения и номинальной нагрузке. На рис. 2–4b, d показано изменение полного сопротивления изоляции фаз сети относительно земли при нормальной схеме электроснабжения, но минимальной нагрузке, обусловленной технологическими причинами.

Измерения проводились в апреле 2021 года с 7 утра до 19 вечера каждый час. За ночь происходило увлажнение изоляционный конструкций. Под действием температуры воздуха (днем она доходила до 24 °С), а также тепловых потерь, обусловленных током нагрузки влага испарялась и сопротивление изоляции возрастало (рис. 2а, c). Аналогично действовала на изоляцию и солнечная радиация (рис. 3а, c). При увеличении влажности (рис. 4а, c) сопротивление изоляции, как и положено, снижалось. Зависимости, приведенные на рис. 2–4b, d, были получены при нагрузке в сети не более 10 % от номинальной и нуждается в дальнейших исследованиях.

Планируется провести подобные измерения в течение года, что позволит сделать обоснованные качественные и количественные выводы о влиянии параметров окружающей среды на сопротивление изоляции фаз КРС относительно земли.

Выводы

• 1.    Разработана методика измерения параметров изоляции относительно земли в КРС с одновременным контролем различных факторов, влияющих на процесс изменения этих параметров.

• 2.    Выполнено исследование параметров изоляции фаз относительно земли в КРС карьера «Таррор» косвенным методом, основанным на подключении к одной из фаз сети дополнительной емкости.

• 3.    Впервые определена динамика изменения сопротивления изоляции КРС под влиянием факторов окружающей среды (температуры воздуха, солнечной радиации, и относительной влажности воздуха).