Функциональная безопасность электрических защит подземных электроустановок

УДК 622:621.3

М. В. Гришин

Функциональная безопасность электрических защит подземных электроустановок

На примере электрических защит подземных электроустановок с микропроцессорными блоками системы «Endis» фирмы «Becker Mining Systems» показано, что в основе их эксплуатации должны быть соответствие требованиям функциональной безопасности МЭК 61508, возможность самодиагностики и эффективного контроля электрической изоляции сети.

Ключевые слова: ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ, САМОКОНТРОЛЬ, ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ

В настоящее время для электрических защит подземных электроустановок все более широко применяются микропроцессорные блоки и системы как зарубежных, так и отечественных производителей. Они представляют собой надежное многофункциональное современное решение поставленных перед электрооборудованием задач.

Однако существующие нормативные документы в части проверки и эксплуатации защит не соответствуют современному уровню технических устройств. «Правила безопасности в угольных шахтах» [1] ориентированы на электромеханические релейные устройства защиты, которые предусматривается периодически проверять. Причем методы малоэффективны, а иногда и опасны. Так, блоки токовой защиты выдаются из шахты для испытаний на стенде, а работоспособность реле утечки проверяется путем создания открытой искроопасной цепи через дополнительный за-землитель. Тем не менее, такие разовые ручные проверки вследствие продолжительных предписанных интервалов и человеческого фактора не гарантируют возможности возникновения отказа.

Традиционные электромеханические защиты не позволяют проводить самопроверку работоспособности. Такие устройства могут иметь лишь свойство относительного самоконтроля [2]. Например, в защитных устройствах от утечки типа РУ исполнительное реле реагирует не на увеличение, а на снижение тока, и поэтому повреждения элементов схемы могут вызвать отключение сети.

Микропроцессорные блоки позволяют проводить самодиагностику с автоматическим распознаванием ошибки. В этом случае полностью исключается человеческий фактор.

Использование компьютерных технологий имеет много преимуществ, но вместе с тем, в отличие от традиционных электромеханических систем защит и управления, могут появиться новые виды отказов, связанные с применением микропроцессоров и соответствующего программного обеспечения. Для их предотвращения необходимо сформулировать требования к защитам при их синтезе, доказать, что эти требования выполнены, и впоследствии отслеживать выполнение требований на протяжении всего жизненного цикла (испытания, монтаж, эксплуатация).

В мировой практике вплоть до 90-х годов прошлого века использование сложной микроэлектроники и микроконтроллеров в системах обеспечения безопасности считалось если не совсем невозможным, то, по крайней мере, сопряженным с необходимостью выполнения большого объема контрольных испытаний. Причины лежали и в большом количестве норм и стандартов, которые содержали действовавшие в то время правила, предписывавшие исключительное применение традиционных решений с использованием релейных устройств защиты. Тем самым изначально исключалось применение современного, экономичного и высокотехнологичного, с точки зрения безопасности, оборудования.

В связи с этим были разработаны стандарты серии МЭК 61508 [3], которые состоят из семи частей, описывающих классификацию, аппаратное и программное обеспечение безопасных электрических, электронных, программируемых электронных систем. В ходе разработки стандартов была специально поставлена цель - не закреплять в нем положений, которые в дальнейшем могут воспрепятствовать применению новых, сегодня еще неизвестных технологий. Поэтому стандарты МЭК 61508 формулируют свои требования на очень высоком уровне абстрагирования и не всегда легкодоступны для понимания. Краеугольное понятие МЭК 61508 - понятие «жизненного цикла безопасности». В отличие от традиционного подхода к оценке системы на основе только выходных характеристик производителя или, в лучшем случае, во время приемосдаточных испытаний МЭК 61508 рассматривает все аспекты безопасности в течение всего цикла существования системы -от первоначальной концепции до списания.

При рассмотрении аспектов безопасности принят постулат, что абсолютной безопасности не существует - после принятия защитных мер некоторый остаточный риск всегда остается. Безопасность достигается путем уменьшения риска до допустимого уровня, определенного как допустимый риск. Согласно МЭК 61508, устройство защиты должно удовлетворять определенным требованиям к надежности в зависимости от возможного объема ущерба, который определяется на основе так называемого класса безопасности эксплуатации оборудования (SIL). Концепция надежности основана на утверждении вероятности - насколько вероятно, что защитная система даст сбой в тот момент, когда она должна выполнять свои функции обеспечения безопасности?

Рассмотрим этот подход на примере защитных устройств контроля электрической изоляции системы распределения энергии «Endis» фирмы «Becker Mining Systems» (рисунок 1), которые входят в состав электрооборудования высокопроизводительных лав на шахтах Кузбасса.

Контроль изоляции осуществляется четырьмя блоками:

1) датчик сопротивления изоляции;

2) быстродействующая защита от замыкания на землю (ESA);

3) предварительный контроль сопротивления изоляции (ErS);

4) высоковольтный тест.

Следует отметить, что защиты обеспечивают тестирование как в автоматическом, так и в ручном режиме. Кроме того, блоки защит в составе контакторных модулей HPC 450-*-V5 прошли испытания в специализированных центрах «Deutschen Montan Technologie GmbH» (Германия) и «Ineris» (Франция), по результатам которых проверено и подтверждено их соответствие уровню безопасности SIL 1, согласно МЭК 61508.

transwitch

Рисунок 1 - Схема защитных устройств контроля электрической изоляции системы распределения энергии «Endis» фирмы «Becker Mining Systems»

Датчик изоляции осуществляет постоянный контроль сопротивления изоляции оперативным постоянным напряжением 48 В в цепи, которая проходит через нейтраль передвижной подстанции типа «трансвич». В зависимости от уровня сопротивления изоляции сети датчик с временной задержкой отключает последовательно передвижные машины, стационарные и всю сеть. Время срабатывания датчика сопротивления изоляции составляет не более 1,5 с (с частотными преобразователями не более 10 с). После каждого включения и далее через 12 ч происходит самотестирование устройства, при котором измеренное напряжение датчика изоляции включается на эталонное сопротивление. Продолжительность самотестирования составляет 10 с. При ручном тестировании происходит также включение цепи датчика на эталонное сопротивление.

Быстродействующая защита от замыкания на землю (ESA) срабатывает при появлении однофазного замыкания за счет смещения нулевой точки в фильтре напряжения. Общее время срабатывания может быть установлено менее 0,1 с. После каждого отключения в течение 4 с происходит самотестирование напряжением частотой 10 кГц.

Предварительный контроль сопротивления изоляции (БРУ) осуществляется блоком ErS в искробезопасном исполнении [Ex ia] I посредством подачи постоянного напряжения 12 В до включения электрооборудования. В случае пониженного сопротивления изоляции подача напряжения блокируется и на индикаторном модуле появляется измеренное значение сопротивления изоляции. Диапазон уставки от 10 до 400 кОм. Тестирование блока ErS происходит одновременно с тестированием блока ESA.

Предварительная оценка изоляции по ее сопротивлению носит ограниченный характер. Реально проверить целостность изоляции можно только повышенным напряжением не ниже номинального. Особенно это характерно для изоляции электрооборудования напряжением 1 кВ и выше, когда повреждения не всегда определяются даже допущенным в шахту мегомметром на 500 В. В связи с этим для сетей напряжением 3,3 кВ включен дополнительный блок, с помощью которого можно провести кратковременную высоковольтную проверку электрической прочности изоляции. При тестировании генератор подает постоянное напряжение до 4 кВ через соединительные дроссели на все три фазы отходящего присоединения. Генератор подключен к сети через высокое внутреннее сопротивление около 1 МОм. Таким образом, гарантируется, что емкостный ток заряда будет ограничен 4 мА. Емкость проводов и высокоомное сопротивление в контуре из-

мерения определяют постоянную времени зарядного напряжения. Если зарядное напряжение по причине низкого сопротивления изоляции не достигает требуемого верхнего предела в течение 30 с, тест прерывается, появляется сообщение об ошибке и контакторный модуль блокируется.

Кратковременно высоковольтное тестирование, с одной стороны, позволяет реально предварительно до подачи напряжения оценить целостность изоляции и не допустить при подаче напряжения появления мощной открытой дуги в поврежденной изоляции, а с другой стороны, требует соблюдения дополнительных мер предосторожности, так как контур измерений неискробезопасный.

Поэтому перед началом тестирования согласно РД 05-386-00 [4] необходимо провести осмотр электрооборудования и кабелей и убедиться в отсутствии внешних признаков их повреждения. Оболочки взрывобезопасного электрооборудования, подключенного к цепи тестирования изоляции, должны оставаться закрытыми в течение всего времени проведения проверки.

Содержание взрывоопасных газов в выработках, в которых расположены электрооборудование и кабели, должно контролироваться перед началом тестирования и во время его проведения автоматическими переносными приборами и датчиками стационарной автоматической аппаратуры контроля содержания этих газов, установленными на участке. При этом особое внимание должно быть обращено на места предполагаемого повреждения изоляции кабелей после автоматического отключения напряжения защитой от токов короткого замыкания и утечек (замыканий) тока на землю. Перед началом и при проведении тестирования содержание взрывоопасных газов в местах расположения электрооборудования и кабелей в подземных выработках угольных шахт не должно превышать 1 % метана.

В соответствии с [4] плановое диагностическое высоковольтное тестирование должно проводиться не реже одного раза в 6 месяцев.

Таким образом, плановым проверкам в шахте должна подвергаться электрическая изоляция, а непосредственно сами защитные блоки должны иметь самодиагностику и пройти испытания на функциональную безопасность по методикам системы ГОСТ Р МЭК 61508.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1 Правила безопасности в угольных шахтах (ПБ-05-618-03).

2 Колосюк, В.П. Защитное отключение рудничных электроустановок / В.П. Колосюк. - М.: Недра, 1980. - 334 с.

3 ГОСТ Р МЭК 61508. Функциональная безопасность систем электрических, электронных, программируемых электронных, связанных с безопасностью.

4 Временная инструкция по электроснабжению и применению электрооборудования напряжением 3000 (3300) В в очистных и подготовительных выработках угольных шахт (РД 05-38600).

FUNCTIONAL SAFETY OF ELECTRICAL PROTECTION OF UNDERGROUND ELECTRICAL INSTALLATIONS

M.V. Grishin

On the example of the electrical protection of underground electrical installations with a microprocessor units of «Becker Mining Systems» Company «Endis» system it is shown that in the basis for their operation must be put compliance with functional safety demands MEK 61508, the possibility of self-diagnosis and effective monitoring of electrical insulation of the network.

Key words: FUNCTIONAL SAFETY, SELF-

MONITORING, DIOGNOSTIC TESTING

Гришин Михаил Викторович E-mail: gm@kemtel.ru