Молниезащита и заземление газоотсасывающих установок шахт

УДК 621.316:622.4

В.И. Мурашев, М.В. Гришин

НЦ ВостНИИ

Молниезащита и заземление газоотсасывающих установок шахт

Рассмотрены основные принципы выполнения молниезащиты на газоотсасывающих установках шахт. Показано, что в отличие от общепромышленных объектов для подземных выработок существует опасность открытого искрения при выносе потенциала с заземлителя молниеотвода. Поэтому в основе проектных решений должно быть общее заземляющее устройство с уравниванием потенциалов всех металлических элементов установки

Поверхностные газоотсасывающие установки угольных шахт Кузбасса представляют реальную опасность взрывов и вспышек метана в летнее время при высокой грозовой активности. Подтверждением тому являются недавно происшедшие аварии в ЗАО «Шахта Октябрьская» (6 июня 2004 г.) и ЗАО «Шахта Распадская» (17 июня 2005 г.). При расследовании и анализе этих аварий возникли противоречивые мнения по поводу защиты от разрядов молнии.

Проблема заключается в том, что согласно основному общепромышленному нормативу [1] газоотсасывающая установка как объект, где при нормальных режимах имеются взрывоопасные концентрации газов, должна быть отнесена к объектам I категории. Основой защиты таких объектов является сооружение отдельно стоящих молниеотводов.

В связи с этим в проектах закладывались решения, направленные на электрическое разделение заземляющих устройств молниеприемников от заземленных металлоконструкций оборудования. Кроме того, в соответствии с дополнительными нормативными документами компаний [2, 3] было выполнено также изолирование обсадной трубы от металлоконструкций установки.

Таким образом, было стремление создать условия, при которых ток молнии уходил бы только в заземлитель молниеотвода, не оказывая никакого влияния на поверхностные и подземные металлоконструкции установки.

Однако достичь такого результата довольно сложно из-за ряда специфических проблем, которые, прежде всего, связаны с допустимыми расстояниями между элементами молниеотвода и защищаемым объектом.

В существующих газоотсасывающих установках, согласно инструкции [1], наименьшие допустимые расстояния Бз в земле и Бв в воздухе между заземлителями молниезащиты и металлоконструкциями оборудования рекомендуются в пределах от 5 до 10 м (рисунок 1). Такие расстояния вполне предотвращают прямые перекрытия с частей молниеотвода на защищаемый объект с учетом того, что максимальная допустимая напряженность в воздухе составляет Едв = 500 кВ/м, а в земле соответственно Едз = 300 кВ/м [4].

Вместе с тем, помимо прямого перекрытия, существует опасность заноса потенциала, образующегося при стекании тока молнии в заземлитель молниеотвода.

1 - молниеотвод; 2 - заземлитель молниеотвода; 3 - вентиляторная установка; 4 - труба сброса; 5 - обсадная труба вентиляционной скважины; 6 - заземлитель вентиляционной установки;

7 - изоляционные промежутки Рисунок 1 - Существующая молниезащита газоотсасывающих установок

Распределение относительного потенциала по поверхности земли вокруг вертикального электрода равно [4, 5, 6]

где £ - длина электрода, м; с1 - диаметр электрода, м.

иX

У0

4 • £

2

X

с

Кривые распределения, приведенные на рисунке 2, показывают, что на допустимых расстояниях (5-10 м) уровень потенциала существенно снижается до 10-15%. Причем снижение менее эффективно у заглубленных заземлителей. Но, тем не менее, при нормированном сопротивлении заземлителя 10 Ом и среднем токе молнии 30-100 кА потенциал на заземлителе молниеотвода, даже учитывая индуктивное сопротивление заземляющих проводов, может достигать до 1000 кВ и более. Поэтому снижение потенциала до нескольких процентов не предотвращает возможности вынесения его на заземленные металлические элементы установки с образованием искровых разрядов.

Расстояние х от заземлителя молниеотвода, м

1 - длина электрода 2 м; 2 - длина электрода 10 м Рисунок 2 - Распределение относительного потенциала по поверхности вокруг

заземлителя молниеотвода

Следует отметить, что наличие рядом с заземлителем молниеотвода металлической обсадной трубы диаметром около 1 м и длиной до 300 м с предельно низким переходным сопротивлением на землю также перераспределяет потенциал заземлителя. Ток молнии стремится уйти в обсадную трубу (рисунок 1).

Единственным решением при существующей системе молниезащиты является удаление стержневого молниеотвода на большее расстояние от газоотсасывающей установки. Но вместе с этим возникает парадоксальная ситуация. С одной стороны, для обеспечения зоны защиты необ-

ходимо увеличивать высоту молниеотвода. С другой стороны, при этом резко возрастает вероятность поражения объекта молнией, которая пропорциональна квадрату высоты молниеотвода

N = 9 пЛ2 пИ0-6,

где Л - высота объекта, м;

п - среднегодовое число ударов молнии в 1 км в данном районе.

Кроме того, постоянный выброс под напором газовой смеси взрывоопасной концентрации также вызывает необходимость увеличения высоты молниеотводов. Предусмотренная в инструкции [1] зона защиты, ограниченная полушарием радиусом 5 м над обрезом труб, применима для газоотводных и дыхательных труб со свободным отводом газов, паров.

В настоящее время на основе недавно вышедшей Инструкции [7] по уточненным расчетам высота молниеприемников достигает 30 м и более. При таких высоких молниеотводах все разряды молнии в районе будут практически всегда приходиться в установку.

В последнее время за рубежом появились активные молниеотводы (РРЕУЕСТРОЫ, РЕТАКОМ), действие которых основано на создании более сильной ионизации вокруг наконечника при возникновении реальной угрозы удара молнии. Активный молниеприемник состоит из катушки индуктивности, конденсатора, разрядника и воздушного зазора. При появлении между грозовым облаком и землей существенного электрического поля в индуктивности наводится ЭДС, которая заряжает конденсатор. Когда конденсатор полностью зарядится, пробивается разрядник и по цепи начинает течь ток, который наводит на вторую обмотку катушки дополнительную ЭДС. В связи с этим потенциал молниеприемника относительно облака повышается, что облегчает старт встречного лидера. Зона защиты активных молниеприемников больше, чем обычных стержневых.

Вместе с тем, при высоких молниеотводах (выше 30 м) не совсем соблюдается электро-геометрическая методика расчета зон защиты. Как показали наблюдения на Останкинской телебашне [8], которая является одним из самых высоких молниеотводов в мире (534 м), нисходящие молнии с одинаковой вероятностью поражают участки поверхности как находящиеся вблизи башни, так и далеко от нее.

В последнее время появились исследования [9] о том, что разряды молнии входят в атмосферу случайным образом по следам ионизирующего действия космических частиц сверхвысоких энергий. В связи с этим наилучшей защитой от молнии может служить пространственная заземленная система проводников (клетка Фарадея). По этому направлению идет и развитие международных стандартов МЭК 62305, требования которых формируют так называемую «зоновую концепцию молниезащиты», в основе которой лежит электрическая связь всех металлических элементов оборудования с заземляющей системой и широкое использование экранирования. В ПУЭ (7 изд.) и инструкции СО-153-34.21.122-2003 [10] в основе защиты также лежит широкое применение уравнивания потенциалов.

Не объединенные в единую систему металлические элементы оборудования могут вызвать электрические разряды во взрывоопасной среде при ударе молнии или коротких замыканиях. Характерной является авария на газоотсасывающей установке в шахте им. Кирова 02.10.2000. Во время запуска электродвигателя при пусковых токах произошло перегорание самодельных некалиброванных проволочных предохранителей на концевой опоре ВЛ 6 кВ. В результате возник дуговой разряд с конца обгоревшей проволоки на заземленную конструкцию крепления изоляторов

предохранителя и опоры. Потенциал, образовавшийся при стекании тока замыкания на заземляющее устройство концевой опоры, через броню кабелей передался на заземляющую сеть 0,66 кВ, металлическую конструкцию газоотсасывающей установки и в конце концов на обсадную трубу.

В месте неплотных контактов между коллектором и трубой или секциями труб возникло искрение, явившееся источником возгорания метановоздушной смеси с концентрацией метана до 4,5% и распространения пламени по газодренажной скважине в шахту в режиме детонации.

Этот пример показывает необходимость электрического соединения всех металлоконструкций установки, в том числе и обсадной трубы, с целью уравнивания потенциалов, как предусмотрено в п. 1.7.110 ПУЭ (7-е изд.) и в новой инструкции [7].

Ранее в НЦ ВостНИИ проводились исследования по молниезащите надшахтных зданий и подземных сооружений. В основе разработанных рекомендаций [11,12] лежат следующие положения:

1) В качестве молниеприемников, непосредственно воспринимающих удар молнии, и токо-провода, по которому ток может передаться в землю, необходимо использовать металлоконструкции копров, вентиляторных установок, в том числе фланговых стволов и шурфов.

2) В качестве заземлителей молниезащиты, обеспечивающих растекание тока молнии в земле, следует использовать заземлители электроустановок и железобетонные фундаменты копров, надшахтных зданий и подъемных машин при условии обеспечения непрерывной электрической связи по их арматуре.

3) Для уравнивания потенциалов и снижения сопротивления:

- в надшахтных зданиях все металлические каркасы, корпуса оборудования, трубопроводы присоединить к общему заземлителю молниезащиты;

- в устье ствола все металлоконструкции, трубопроводы, токопроводящие оболочки кабелей и армировку ствола присоединить заземляющими перемычками к общему заземлителю молниезащиты;

- на всем протяжении ствола обеспечить связь между металлоконструкциями армировки ствола с помощью металлических проводников, трубопроводов, кабелей или металлоконструкций лестничных отделений. При отсутствии металлической связи проложить по стволу стальной заземляющий проводник сечением не менее 100 мм и к нему с помощью заземляющих перемычек присоединить всю металлическую армировку и коммуникации в стволе;

- на сопряжении ствола с выработками дополнительно присоединить металлоконструкции армировки и коммуникации к центральному заземлителю, а при его отсутствии к местным зазем-лителям;

- на распредпунктах, расположенных вблизи сопряжения горных выработок, с помощью заземляющих проводников присоединить к местному заземлителю трубопроводы, рельсовые пути, токопроводящие оболочки кабеля и металлоконструкции оборудования конвейеров, погрузочных пунктов, лестничных переходов.

Выполнение рекомендаций [11] на многих шахтах Кузбасса обеспечило эффективную мол-ниезащиту надшахтных сооружений и подземных выработок. Так, в 2000 г. на шахте «Распадская» в непосредственной близости от устья бремсбергов были установлены молниеотводы высотой 1520 м. При грозе за счет заноса высокого потенциала через металлоконструкции выработок про-

изошло несколько вспышек метана. После демонтажа молниеотводов в устьях, а также присоединения заземляющими перемычками металлоконструкций, трубопроводов к общему заземляющему устройству шахты случаев вспышек не отмечалось.

Газоотсасывающая установка в отличие от других надшахтных сооружений является особым объектом, в котором имеется взрывоопасная зона, причем она не локализована в отдельном месте (помещении), а распространяется в значительном объеме на поверхности и в подземных выработках. Поэтому устройство отдельно стоящих молниеотводов не может обеспечить эффективной молниезащиты. Напротив, такое решение может вызвать занос значительных потенциалов при ударе при грозовом разряде в молниеотвод. В связи с этим молниезащита газоотсасывающих установок должна быть выполнена на основе широкого применения уравнивания потенциалов, т.е. надежного электрического соединения всех металлических элементов установки, в том числе и обсадной трубы, которая является «идеальным» заземлителем для тока молнии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1 Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. РД 34.21.122-87 / Минэнерго СССР. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

2 Руководство по проектированию комбинированного проветривания выемочных участков и полей с применением газоотсасывающих вентиляторных установок для шахт ОАО «Компания «Кузбассуголь». - Кемерово, 2000.

3 Временное руководство по применению эффективных способов отвода метана из выработанных пространств за пределы выемочных пространств на пологих и наклонных пластах ЗАО УК «Кузнецкуголь». - 2 изд. испр. и доп. - Кемерово - Новокузнецк, 2002.

4 Техника высоких напряжений / под общ. ред. Д.В. Разевига. - М.-Л.: Энергия, 1964.

5 Рябкова, Е.Я. Заземление в установках высокого напряжения. - М.: Энергия, 1978.

6 Марголин, Н.Ф. Токи в земле. - М.: Госэнергоиздат, 1947.

7 Инструкция по проектированию и устройству молниезащиты на наземных газоотсасывающих вентиляторных установках на угольных шахтах Кузбасса. - Кемерово, 2005.

8 Горин, Б.Н. Поражения молнией Останкинской телебашни / Б.Н. Горин, В.И. Левитов, А.В. Шкилев // Электричество. - 1977.- № 8. - С. 19-23.

9 Ермаков, В.И. Физика грозовых облаков / В.И. Ермаков, Ю.И. Стожков. - М.: ФИАН им. П.Н. Лебедева, 2004.

10 Инструкция по устройству молниезащиты зданий, сооружений и промышленных коммуникаций. СО-153-34.21.122-2003 / Минэнерго России. - М., 2003.

11 Рекомендации по устройству молниезащиты надшахтных зданий и подземных сооружений угольных шахт. - Кемерово, 1998.

Лудзиш, В.С. Устройство молниезащиты надшахтных зданий и подземных сооружений угольных шахт / В.С. Лудзиш, В.И. Баскаков, В.А. Гришин, М.В. Гришин //Безопасность труда в промышленности. - 2000. - № 7. -С. 33-36.