Повышение эффективности и безопасности эксплуатации электротехнических комплексов горных предприятий при возникновении блуждающих токов, инициированных однофазными замыканиями на землю

Большая часть работ по добыче полезных ископаемых проводится с применением взрывных работ. Подрыв зарядов взрывчатых веществ может осуществляться как электрическим, так и неэлектрическим способом.

В некоторых случаях, например, в шахтах и рудниках опасных по газу или пыли, электрический способ взрывания является единственно допустимым.

Основной тенденцией развития средств электровзрывания является обеспечение безотказного и безопасного взрывания зарядов. Усовершенствование средств электровзрывания повысило надежность электрического способа взрывания. Однако проблема предотвращения преждевременных взрывов зарядов блуждающими токами до сих пор еще не полностью решена.

Отечественная и зарубежная практика показывает, что при электровзрывании иногда происходят преждевременные взрывы зарядов. Такие взрывы представляют большую опасность, особенно если случаются во время закладки зарядов в шпуры или монтажа взрывной сети. Кроме того, преждевременные взрывы отдельных зарядов нарушают запроектированный эффект взрывных работ и могут привести к человеческим жертвам и большому материальному ущербу.

Преждевременные взрывы при электровзрывании могут быть вызваны проходящими через электродетонатор (ЭД) электротяговыми блуждающими токами и токами утечки из электрических установок, а также воздействием на электродетонаторы электростатических зарядов, грозовых разрядов и электромагнитных излучений.

Все вышеперечисленные факторы могут являться источниками блуждающих токов. Одним из малоизученных источников блуждающих токов являются токи утечки из электрических установок, проникающие в электровзрывную сеть (ЭВС).

Опасность появления преждевременных взрывов при электровзрывании привела к тому, что в ряде случаев, без достаточных на то оснований, вместо электрического способа взрывания стали применять не менее безопасный и более дорогой способ — взрывание детонирующим шнуром.

Объясняется это возникновением следующей ситуации: в момент проведения монтажа ЭВС или непосредственно перед проведением взрыва на поверхности в сети карьера 6 кВ происходит однофазное замыкание на землю (ОЗЗ). Один участок цепи с поврежденной изоляцией взрывной сети касается металлического предмета, имеющего электрический контакт с корпусом электрооборудования, у которого произошел пробой изоляции и неисправно заземление, а другой участок сети касается грунта. Как показывают исследования, проведенные в Московском горном институте, ток утечки, проникший во взрывную сеть, лежит в пределах от сотых долей до одного ампера. Токи инициирования электродетонаторов (ЭД) лежат в пределах 0,05 до 5 А. Таким образом, при соответствующих условиях токи утечки из электрических установок могут инициировать ЭД и вызвать преждевременный взрыв зарядов.

Недостаточным является выполнение рекомендаций по обеспечению безотказности и безопасности при электрическом способе взрывания зарядов, приведенных в «Единых правилах безопасности при взрывных работах», определяющих зону безопасности и мероприятия по монтажу ЭВС. Даже полное и неукоснительное выполнение этих требований не исключает возможность того, что при заряжании и забойке зарядов изоляция выводных проводов электродетонатора будет повреждена. Некоторые скрутки проводов останутся неизолированными, а многократно используемые магистральные провода будут иметь места с плохой изоляцией.

Методические основы оценки влияния блуждающих токов на безопасность ведения электровзрывных работ разработаны такими учеными как Озерной М. И., Лурье А. И., Граевский М. М., Беркман М. И., Попов В. А., Петров Ю. С. и др.

Токи в земле, вызванные однофазным замыканием на землю в сетях с изолированной нейтралью, на сегодняшний день являются недостаточно изученными, что затрудняет оценку их величины в нестандартной ситуации взаимодействия электротехнических комплексов (ЭК) карьера и подземного рудника. Отсутствие методики оценки и прогнозирования величины блуждающих токов обуславливает актуальность проведения исследований в этой области.

Полученные на их основе результаты должны способствовать повышению эффективности и безопасности ведения горных работ, росту производительности труда и обеспечивать ритмичность производства без перебоев, обусловленных аварийными ситуациями.

Цель работы: повышение эффективности и безопасности эксплуатации горных предприятий при возникновении однофазных замыканий на землю в их электротехническом комплексе путем прогнозирования степени безопасности проведения электровзрывных работ и на этой основе выбора технических устройств, позволяющих уменьшить влияние БТ на самопроизвольное взрывание электродетонаторов.

Задачи исследования:

• выявление основных факторов, определяющих степень проникновения блуждающих токов в электровзрывную сеть, в условиях сопряжений горных работ карьера и подземного рудника, и определение их влияния на безопасное ведение электровзрывных работ;

• разработка теоретических и методических положений, позволяющих оценить влияние параметров электротехнического комплекса на величину блуждающих токов, инициируемых однофазными замыканиями на землю;

• разработка метода представления электрической сети карьера с целью дальнейшего ее моделирования для выявления закономерностей распространения блуждающих токов;

• разработка методики по прогнозированию безопасности ведения электровзрывных работ, учитывающей временную и пространственную вариацию параметров перемещения фронта горных работ и характеристику электровзрывной сети;

• выбор рациональных технических приемов и устройств, обеспечивающих повышение эффективности и безопасности ведения электровзрывных работ.

Идея работы: повышение эффективности и безопасности ведения электровзрывных работ в подземных рудниках путем выявления закономерности растекания блуждающих токов от однофазных замыканий на землю и разработка на этой основе рекомендаций по предупреждению аварийных ситуаций и выбор способов и устройств, повышающих безопасность ведения электровзрывных работ.

Методы исследований: в работе использованы методы теории электрических цепей, теории электромагнитного поля, теории электроснабжения, численные методы решения уравнений в интегрально-дифференциальной форме, методы аппроксимации, методы моделирования с помощью ЭВМ.

Научная новизна работы:

• установлено, что основными факторами, влияющими на величину блуждающего тока от однофазных замыканий на землю, являются величина тока замыкания, конфигурация электрической сети, в которой возникает замыкание и координаты точки замыкания;

• предложена трехмерная математическая модель, позволяющая изучить распространение блуждающих токов в неоднородной среде с представлением электрической сети карьера в виде дискретной модели с автоматически определяемым оптимальным шагом дискретизации;

• предложена методика, позволяющая оценить степень безопасности ведения электровзрывных работ при возникновении однофазных замыканий на землю в зависимости от перспективного изменения координат элементов электротехнического комплекса и горных работ;

• предложены способы, позволяющие уменьшить влияние однофазных замыканий на землю на величину блуждающих токов и методика их ранжирования.

Обоснованность научных положений базируется на применении известных положений теории электрических цепей, теории электромагнитных процессов в проводящих средах и системах электроснабжения, теории и методах обработки экспериментальных данных.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается достаточной сходимостью расчетных и опытных данных, а также положительными результатами внедрения разработок в ОАО «Апатит».

Практическая ценность работы заключается в следующем:

ГШ^ЛШерКи rpttmuwhm И УЯПЯЬ-ТРПЯ. распространения токов от однофазных замыканий на землю в условиях сопряжения горных работ карьера и подземного рудника;

• разработана методика оценки устойчивости ситуации по безопасному ведению электровзрывных работ при возникновении однофазных замыканий на землю;

• разработана методика выбора технических устройств, обеспечивающих безопасное ведение электровзрывных работ в условиях горных работ сопряжения карьера и подземного рудника.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Изучены факторы, влияющие на величину блуждающих токов (БТ), проникновение которых в электровзрывную сеть обусловлено током однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) в электрической сети карьера, находящегося в сопряжении с подземным рудником. Установлено, что основными факторами, влияющими на величину блуждающих токов, являются величина тока ОЗЗ, конфигурация сети, координаты возникновения ОЗЗ и месторасположения электровзрывной сети.

2. Предложен метод представления электрической сети карьера, заключающийся в отображении катодных зон тока ОЗЗ в виде дискретной модели, шаг дискретизации которой меняется автоматически, достигая значения, при котором происходит стабилизация расчетных значений величин плотности блуждающего тока. Метод позволяет учесть конфигурацию сети карьера, определить ее влияние на величину блуждающих токов. Показано, что неучет конфигурации сети может привести к ошибке расчетных значений плотности БТ, составляющей 60 и более процентов.

3. Показано, что влияние тока ОЗЗ на величину БТ определяется конфигурацией и параметрами сети. Так как аналитически описать влияние конфигурации сети не представляется возможным, то предложено учитывать этот фактор с помощью моделирования, реализованного на компьютере и позволяющего определить величину плотности блуждающего тока для любой точки подземного рудника, где возможно проведение массового взрыва.

4. Установлено, что при фиксированных координатах места возникновения ОЗЗ, зависимость величины БТ от углубления нижнего контура карьера носит экспоненциальный характер. Показано, что обладая такой зависимостью и зная скорость углубления можно прогнозировать во времени и пространстве возникновение опасной ситуации относительно блуждающих токов, проникающих в электровзрывную сеть. Такой прогноз позволяет повысить безопасность и эффективность проведения электровзрывных работ путем исключения возможности самопроизвольного взрывания электродетонаторов от блуждающего тока.

5. Проанализированы способы, позволяющие изменить влияние токов ОЗЗ на величину БТ. Способы разделены по двум видам: по уменьшению времени действия импульса тока на электро детонатор и его величины. Для уменьшения действия тока во времени предлагается применение более быстродействующих защит от ОЗЗ. Для уменьшения величины импульса тока предлагается применение секционирования сети и устройств компенсации емкостной составляющей тока ОЗЗ.

6. Рассмотрено влияние устройств автоматической компенсации (УАРК) емкостной составляющей ОЗЗ на величину блуждающего тока. Установлено, что при условии рационального размещения главной понизительной подстанции, на стадии проектирования или реконструкции горного предприятия, применение устройств типа УАРК может уменьшить величину блуждающего тока в два и более раза.

7. Предложена методика ранжирования способов уменьшения величин БТ, основанная на сравнении их по критериям: величина возможного уменьшения импульса тока через электродетонатор и затраты на внедрение способа. Применение методики позволяет обеспечить безопасность и эффективность ведения электровзрывных работ в случае проникновения блуждающих токов инициируемых токами ОЗЗ, в электровзрывную сеть.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе дано решение актуальной научной задачи, заключающейся в повышении эффективности и безопасности эксплуатации электрооборудования при возникновении однофазных замыканий на землю в электротехническом комплексе предприятий по добыче полезных ископаемых на основе нового подхода к оценке величины блуждающего токов.