СИСТЕМА ПОДЗЕМНОГО ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Предложенное техническое решение относится к электротехнике, в частности к системе подземного высоковольтного электроснабжения с изолированной нейтралью, предназначенной для питания различных видов горно-шахтного оборудования с электроприводом на напряжение 3000, 6000 и 10000 В.
Известна система подземного высоковольтного электроснабжения, состоящая из трехфазного источника энергии, высоковольтного комплектного распределительного устройства (КРУ), распределительной кабельной сети и электроприемников различного назначения (см. книгу. «Электропривод и электроснабжение горных машин», П.Л. Светличный, с. 146-253).
Источником энергии для питания электроприемников в шахте, как правило, являются силовые трехфазные трансформаторы, установленные в главной поверхностной подстанции (ГПП). Распределительная кабельная сеть выполнена на основе силовых кабелей, содержащих три силовых жилы, одну жилу заземления и броневую оболочку, которую также как и жилу заземления, присоединяют к корпусам электроприемников с обеих сторон кабеля.
Работа системы подземного электроснабжения заключается в следующем. От ГПП напряжение 6000 В с помощью кабельной сети подается к центральной подземной подстанции (ЦПП) и затем к распределительным подземным пунктам высокого напряжения (РПП-6). От РПП-6 напряжение подается к электроприемникам высокого напряжения: водоотливные и вентиляторные установки, передвижные трансформаторные подстанции. Последняя преобразует высокое напряжение в пониженное (660 и/или 1140 В) и через коммутационные аппараты низковольтное питание подается к электроприемникам.
Включение в работу системы подземного высоковольтного электроснабжения осуществляют путем подачи первичного сетевого напряжения к КРУ и включения его в работу. После этого будут включены упомянутые высоковольтные электроприемники. Управляя включением и отключением КРУ достигается соответственно включение в работу и отключение высоковольтных электроприемников. Команды на включение и отключение выполняют с помощью специальных встроенных в КРУ рукояток или пультов дистанционного управления.
В нормальном режиме работы распределительная сеть изолирована от жилы заземления (земли) и от корпусов электроприемников. Однако в аварийных режимах, вызванных коротким замыканием (к.з.), снижением сопротивления изоляции основных жил, проложенных в кабеле, активной, емкостной и индуктивной проводимостями происходят утечки тока из силовой цепи в цепь заземления. Последнее обусловлено тем, что в структуре силовых кабелей основные жилы и неизолированная жила заземления проложены в общей скрутке и контактируют между собой.
В аварийных режимах возникает электрическая цепь «трехфазная сеть - жила заземления», в результате чего токи утечки из сети через жилу заземления перетекают в общешахтную сеть заземления. Переход токов утечки в землю является основным недостатком действующей в отрасли системе подземного электроснабжения, поскольку:
- в цепи заземления возникает незащищенное искрение, способное воспламенить метановоздушную смесь;
- токи утечки достаточны для поражения людей электрическим током;
- емкость «силовая жила - жила заземления» представляет накопленную энергию, опасную как с точки зрения искрения, так и с точки зрения поражения людей электрическим током;
- распределительная высоковольтная сеть электроснабжения является протяженной и непрерывной, начиная от главной поверхностной подстанции до понизительных трансформаторов, что способствует созданию емкостной проводимости и может вызывать негативные последствия;
- непрерывность шахтной сети и ее разветвленность не позволяет обеспечить селективное определение поврежденного участка сети;
- в применяемой структуре системы электроснабжения нельзя реализовать решения для снижения емкости «силовая жила - жила заземления», которая негативно влияет на параметры сети даже в штатном режиме ее работы;
- по цепи заземления протекают токи утечки повышенной мощности, что недопустимо по условию обеспечения ее искробезопасности (требование ГОСТ 22782.5 «Электрооборудование взрывозащищенное с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь». Технически требования и методы испытаний»);
- при однофазном замыкании на землю возникают искроопасные токи утечки, которые при определенных условиях являются источником взрыва и пожара;
- цепи контроля токов утечки на землю, по которым специальные устройства защиты определяют состояние изоляции сети, являются искроопасными и поэтому опасными в отношении воспламенения метана.
Следует также отметить, что по цепи заземления протекают токи утечки повышенной мощности различного происхождения (токи утечки из силовой цепи, блуждающие токи контактной сети электровозной откатки, источники гальвано-ЭДС, индуктированная ЭДС в цепи заземления при прохождении тока в силовой цепи, источники земного происхождения и т.д.), которые способны нарушать параметры искробезопасных цепей. Поэтому согласно ГОСТ 22782.5 «Электрооборудование взрывозащищенное с видом взрывозащиты «искробезопасная электрическая цепь». Технические требования и методы испытаний» запрещается заземление искробезопасных цепей.
Перечисленные недостатки показывают насколько недопустимо с точки зрения безопасности переход в землю токов утечки. Чтобы устранить негативное действие токов утечки необходимо разработать новую систему подземного электроснабжения, в которой должны быть устранены условия для перехода токов утечки в землю.
В основу полезной модели поставлена задача по созданию системы подземного высоковольтного электроснабжения, в которой схемное изменение системы, учитывающее гальваническое разделение между собой силовой цепи и сети заземления, позволяет устранить переход из силовой цепи токов утечки в землю и, тем самым, улучшить электрические характеристики высоковольтной сети.
Поставленная задача решается за счет того, что система подземного высоковольтного электроснабжения с изолированной нейтралью, содержащая источник трехфазного питания, трехфазную распределительную кабельную сеть, электроприемники и устройство контроля сопротивления изоляции, которое под соединено к распределительной кабельной сети, причем последняя выполнена в виде трехфазного кабеля, состоящего из трех силовых жил с индивидуально наложенным полупроводящим экраном и броневой оболочкой, согласно полезной модели, распределительная кабельная сеть снабжена экранной жилой, выполненной неизолированной и с возможностью контакта с экранами силовых жил, при этом она изолирована от жилы заземления, в качестве которой использована броневая оболочка, и корпусов электроприемников, а устройство контроля сопротивления изоляции подсоединено к распределительной сети между силовыми жилами и экранной жилой.
Заявляемое техническое решение впервые предусматривает новое схемное решение системы подземного высоковольтного электроснабжения, в которой: экранная жила введена в распределительную кабельную сеть и расположена в кабеле так, что надежно контактирует с силовыми жилами (фазами сети); экранная жила выполнена неизолированной и гальванически разделена с броневой оболочкой и корпусами электроприемников; устройство контроля сопротивления изоляции подключено между фазами сети и экранной жилой.
Предложенная система подземного высоковольтного электроснабжения позволила: во-первых, гальванически разделить шахтную сеть на электрически обособленные участки, что дало возможность селективно определять возникающие отказы на каждом участке сети без применения дорогостоящего разделительного трансформатора; во-вторых, исключить переход тока утечки в землю и, тем самым, устранить условия для воспламенения ими метановоздушной смеси и поражения людей; в-третьих, уменьшить емкость распределительной сети за счет деления ее на заданные участки, определяемые длиной экранной жилы, и, таким образом, снизить вероятность взрывов и пожаров в шахтах и устранить условия для поражения людей электрическим током; в-четвертых, более точно измерять возникающие токи утечки вследствие устранения их растекания по увлажненным вмещающим породам выработки и токопроводящим устройствам.
Кроме того, впервые изменена схема подсоединения устройства для контроля сопротивления изоляции к силовой цепи: оно подсоединено между силовой трехфазной цепью и экранной жилой. Такое подсоединение позволило более точно измерять возникающие токи утечки в шахтной сети за счет устранения их растекания по вмещающим породам выработки.
Изложенные положения позволили устранить недостатки, присущие прототипу.
Заявленное техническое решение поясняется схемой, приведенной на фигуре, на которой показан один из участков высоковольтной сети шахты.
Система подземного электроснабжения содержит: комплектное распределительное устройство (далее - КРУ) 1 с выключателем 2, узел 3 для присоединения и устройство 4 для контроля сопротивления изоляции, распределительную сеть, состоящую из силовой трехфазной цепи 5, экранной жилы 6 с зажимами 7 и 8 и броневую оболочку 9 с зажимами присоединения 10 и 11, электроприемник 12, в качестве которого используется передвижная трансформаторная подстанция с понижающим трансформатором 13, высоковольтным разъединителем 14 и низковольтным выключателем 15.
Схема узла 3, предназначенного для подсоединения устройства 4 к трехфазной сети 5 может быть выполнена на основе резисторного, диодного или дроссельного фильтра. Устройство 4 выпускается серийно.
Особенность заявленной системы подземного электроснабжения состоит в том, что электрическая цепь для тока утечки в аварийных режимах (короткое замыкание в сети, снижение активного, индуктивного или емкостного сопротивления в распределительной сети) формируется с помощью экранной жилы 7, а не жилы заземления, как это осуществляется в известном решении, и фазами распределительной сети. При этом зажимы 7 и 8 экранной жилы 6 не подсоединены к корпусам КРУ 1 и электроприемника 12. Кроме того, эта жила не соединена электрически с броневой оболочкой 9. В свою очередь последняя подсоединена к корпусам КРУ 1 и электроприемника 12.
Устройство 4 контроля сопротивления изоляции и узел 3 присоединения устройства 4 к сети могут изготавливаться отдельным изделием. Возможен вариант, когда узел 3 присоединения размещен в КРУ 1, а устройство 4 выполнено в виде отдельного изделия. Возможны также и другие варианты.
Работа системы подземного электроснабжения заключается в следующем. После включения КРУ 1 напряжение 6000 В подается с помощью распределительной сети 5 к высоковольтным электроприемникам 12, в частности, к трансформаторной подстанции 13. Включение разъединителя на стороне высокого напряжения подстанции 13 и выключателя 15 на низкой стороне трансформатора, на основе электромагнитной индукции формирует пониженное напряжение (660 или 1140 В). Это напряжение через коммутационные аппараты (на фигуре не показаны) поступает к низковольтным электроприемникам.
1
В нормальном состоянии системы электроснабжения, когда в ней отсутствуют аварийные режимы, система работает в штатном режиме. При появлении одного из видов аварийных режимов, в частности при снижении сопротивления изоляции Z, в одной из фаз трехфазной сети появляется утечка тока по цепи «поврежденная фаза - экранная жила» и, затем, через устройство 4 контроля утечки тока, узел 3 присоединения и в неповрежденную фазу сети. В зависимости от значения тока утечки устройство 4 реагирует по-разному. В случае превышения нормируемого значения (120 кОм на фазу) устройство отрабатывает сигнал на защитное отключение напряжения с помощью КРУ 1. Происходит отключение напряжения с поврежденного участка сети.
Здесь уместно отметить, что в известной системе электроснабжения токи утечки переходят в землю и затем поступают к устройству 4. При этом часть токов утечки растекается по цепи естественного заземления (металлические трубопроводы, рельсовый путь, обводненные участки почвы выработки и т.д.), что не позволяет точно измерить возникающие токи утечки.
В заявленном решении ток утечки не ответвляется в землю вследствие того, что экранная жила, как уже отмечалось, изолирована от корпусов электрических устройств и не соединена с броневой оболочкой. Поэтому суммарная величина тока поступает только через устройство 4 контроля и, тем самым, позволяет точно измерять значение тока утечки.
С помощью предложенного решения появилась возможность производить автоматический разряд емкости «основная жила - экранная жила», что исключает необходимость принудительного разряда в незащищенной зоне выработки путем контакта каждой фазы с металлическим корпусом любого изделия, как это делается в системе электроснабжения - прототипе. Броневая оболочка 9, соединенная с корпусами коммутационных аппаратов и электроприемников, обеспечивает непрерывную цепь заземления для всех объектов сети, что позволяет обеспечить защиту от электропоражения в случае прикосновения работников к корпусам электроустановок.
Изолирование экранной жилы 6 от корпусов электроприемника 12 и коммутационного аппарата КРУ 1 создает замкнутую цепь для тока утечки только на участке «КРУ 1 - электроприемник 12» и, тем самым, обеспечивает селективное отключение напряжения с поврежденного участка. В прототипе такая функция может быть выполнена только с помощью специального разделительного трехфазного трансформатора, который является дорогим по стоимости и в несколько раз превышает стоимость устройства 4 защиты.
Заявленное техническое решение предусматривает новую структуру системы подземного электроснабжения, предусматривающую:
- введение в распределительную кабельную сеть экранной жилы, изолированной от броневой оболочки и корпусов электроприемников;
- присоединение устройства контроля сопротивления изоляции между фазами трехфазной цепи и экранной жилой;
- разделение высоковольтной сети на отдельные участки с помощью экранной жилы;
- гальваническое разделение фаз трехфазной цепи и жилы заземления.
Предложенное решение обеспечивает:
- устранение условий для перехода тока утечки в аварийных режимах в землю, что позволяет существенно повысить безопасные свойства системы электроснабжения, поскольку токи утечки поступают обратно в силовую сеть, а не в цепь заземления, как это реализовано в известной системе электроснабжения;
- селективность отключения поврежденного участка за счет разделения высоковольтной сети на обособленные участки экранной жилой;
- снижение емкости высоковольтной сети вследствие деления ее на обособленные участки и, тем самым, уменьшение значения опасного емкостного тока, попадающего в землю;
- повышение точности работы устройства контроля тока силовой цепи за счет устранение протекания контролируемого тока утечки цепи естественного заземления, в качестве которой используются вмещающие породы и токопроводящие устройства (трубопроводы, рельсовый путь и т.п.);
- резкое уменьшение стоимости использования устройства контроля сопротивления изоляции и снижение трудовых затрат при его монтаже за счет исключения разделительного трансформатора;
- увеличение эксплуатационной надежности системы высоковольтного электроснабжения вследствие отсутствия в системе высоковольтной сети разделительного трансформатора;
Таким образом, впервые разработана система подземного электроснабжения с изолированной нейтралью, которая содержит совокупность новых решений, направленных на реальное обеспечение безопасности применения электрической энергии в шахтах.
Рассмотренная система подземного высоковольтного электроснабжения аналогично может быть реализована в шахтных низковольтных сетях напряжением 660, 1140 В.
Данное решение является принципиально новым и не имеет аналогов в мировой практике.