Электрификация горных работ
Причины возникновения коротких и однофазных замыканий на землю в сетях горных предприятий
Медведева М. Л., Кузьмин С. В., Кузьмин И. С., Шманев В. Д.
На современном этапе развития систем электроснабжения горных предприятий основные причины аварийных отключений связаны с возникновением однофазных замыканий на землю (ОЗЗ). ОЗЗ происходят в 3,88 раза чаще, чем короткие замыкания (КЗ). В статье проанализированы причины возникновения ОЗЗ и КЗ в сетях 6–10 кВ горных предприятий. К основным причинам относятся: коммутационные перенапряжения (КП), перенапряжения в режиме ОЗЗ и естественное старение изоляции. Показано, что за период с 2005 по 2015 г. коммутационные перенапряжения из второстепенных факторов превратились в одну из основных причин ОЗЗ и КЗ. Это связано с ростом доли вакуумных выключателей в общем количестве выключателей, эксплуатируемых на горных предприятиях, и с низкой эффективностью нелинейных ограничителей перенапряжений, с помощью которых ограничивают КП. Доля вакуумных выключателей на горных предприятиях от общего количества выключателей составляет 57–67 % в зависимости от типа горного предприятия. Широкое использование вакуумных выключателей привело к росту ОЗЗ и КЗ в 1,9 и 1,8 раза соответственно. В статье указывается на необходимость эффективного ограничения КП, а для снижения количества групповых отключений необходимо эффективно ограничивать перенапряжения в режиме ОЗЗ. Кроме этого, показано, что на возникновение ОЗЗ в сетях 6–10 кВ карьеров и угольных разрезов оказывает влияние естественное старение изоляции, связанное с технологическими и климатическими факторами.
- Медведева Марина Леонидовна
- директор. 620075, г. Екатеринбург, ул. Кузнечная, 92, ООО «Экспертный центр». E-mail: medvedeva@exctr.ru
- Кузьмин Сергей Васильевич
- кандидат технических наук, директор. 620025, г. Краcноярск, ул. Вавилова, 72, оф. 10, ООО «НПП «Рутас». E-mail: rutas2004@list.ru
- Кузьмин Илья Сергеевич
- инженер-проектировщик. 620025, г. Краcноярск, ул. Вавилова, 72, оф. 10, ООО «НПП «Рутас».
- Шманев Вадим Дмитриевич
- инженер-проектировщик. 620025, г. Краcноярск, ул. Вавилова, 72, оф. 10, ООО «НПП «Рутас».
Анализ аварийности в системах электроснабжения 6–10 кВ горных и металлургических предприятий показывает, что на двух- и трехфазные короткие замыкания (КЗ), однофазные замыкания на землю (ОЗЗ) и обрывы фаз приходится 17, 66 и 14 % отключений электроприемников соответственно [1].
Для снижения аварийности в системах электроснабжения 6–10 кВ горных предприятий необходимо в первую очередь определить основные причины возникновения КЗ и ОЗЗ, так как на долю указанных факторов приходится наибольшее количество аварийных отключений.
Исследования показывают, что в основе возникновения КЗ и ОЗЗ лежат следующие основные причины: старение изоляции кабельных линий и электрооборудования; термическое разрушение изоляции из-за длительных перегрузок; воздействие внутренних перенапряжений, как правило, коммутационных или возникающих в режиме ОЗЗ; внешние перенапряжения, обусловленные разрядами атмосферного электричества; механические воздействия на кабельно-воздушные линии и электрооборудование[2–4].
Для определения влияния технологических и климатических факторов на возникновение КЗ и ОЗЗ в сетях 6–10 кВ рассматривались три основные группы горных предприятий: карьеры и угольные разрезы; шахты и рудники, обогатительные фабрики и горноперерабатывающие комбинаты. Проанализировано около 40 135 аварийных отключений в системах электроснабжения 6–10 кВ горных предприятий, расположенных в Сибири, на Урале, в Республике Беларусь и Республике Казахстан за период с 1995 по 2015 г. На долю КЗ и ОЗЗ пришлось 5868 и 27 128 аварийных отключений соответственно. Остальные отключения связаны с неустановленными причинами и обрывами фаз в сетях 6–10 кВ.
В табл. 1 и 2 показано количественное распределение КЗ и ОЗЗ, возникающих в системах электроснабжения 6–10 кВ рассматриваемых предприятий в зависимости от причин КЗ или ОЗЗ.
| Основные причины КЗ | 1995–2000 | 2001–2005 | 2006–2010 | 2011–2015 |
|---|---|---|---|---|
| Старение изоляции | 245 / 147 / 43 | 269 / 147 / 47 | 192 / 117 / 35 | 250 / 86 / 72 |
| Перегрузка | 53 / 29 / 14 | 71 / 23 / 15 | 101 / 44 / 13 | 95 / 52 / 23 |
| ОЗЗ | 172 / 93 /16 | 214 / 117 / 26 | 302 / 150 / 28 | 405 / 176 / 100 |
| Коммутационные перенапряжения | 47 / 16 / 3 | 103 / 46 / 12 | 222 / 112 / 19 | 214 / 100 / 44 |
| Внешние перенапряжения | 79 / 6 / 3 | 79 / 4 / 4 | 111 / 5 / 3 | 107 / 5 / 5 |
| Механическое воздействие | 26 / 16 / 2 | 24 / 30 / 3 | 50 / 37 / 2 | 71 / 33 / 3 |
| Неустановленные причины | 40 / 13 / 4 | 32 / 11 / 5 | 30 / 15 / 7 | 48 / 23 / 6 |
| Всего | 662 / 320 / 85 | 792 / 378 / 112 | 1008 / 486 / 107 | 1190 / 475 / 253 |
Карьеры, разрезы / шахты, рудники / горноперерабатывающие предприятия
На рис. 1 и 2 приведена динамика процентных соотношений основных причин КЗ и ОЗЗ за каждый пятилетний период с 1995 по 2015 г.
Анализ данных, представленных в табл. 1, 2 и на рис. 1, 2, показывает, что за период с 1995 по 2005 г. основными причинами КЗ и ОЗЗ явились старение изоляции и перенапряжения в режиме ОЗЗ, а в период с 2006 по 2015 г. к указанным причинам добавились и коммутационные перенапряжения. В распределительных сетях горных предприятий произошло от 61 до 79 % КЗ и ОЗЗ.
С 2006 по 2015 г. в среднем происходит уменьшение доли фактора, связанного с естественным старением изоляции, в образовании КЗ и ОЗЗ в системах электроснабжения 6–10 кВ карьеров и угольных разрезов, шахт и рудников, горноперерабатывающих предприятий в 1,78; 2,02; 1,52 и 1,55; 1,6; 1,44 раза соответственно. Доля коммутационных перенапряжений в образовании КЗ и ОЗЗ в системах электроснабжения предприятий возрастает в среднем в 4; 2,59; 2,5 и 2,8; 3,3; 3,15 раза соответственно.
За указанный период наблюдается среднее увеличение доли перенапряжений при возникновении ОЗЗ, КЗ и при образовании многоместных повреждений изоляции кабельных линий и электрооборудования в режиме ОЗЗ в 1,2; 1,15; 1,55 и 1,13; 1,4; 1,53 раза соответственно для систем электроснабжения 6–10 кВ рассматриваемых предприятий.
При этом за период с 2006 по 2015 г. по сравнению с периодом с 1995 по 2005 г. численный рост КЗ в системах электроснабжения 6–10 кВ карьеров и угольных разрезов наблюдается в основном из-за коммутационных перенапряжений (КП) и перенапряжений, возникающих в режиме ОЗЗ, в 2,9 и 1,3 раза соответственно. В сравниваемые периоды времени естественное старение изоляции приводит к возникновению КЗ реже в 1,7 раза.
| Основные причины ОЗЗ | 1995–2000 | 2001–2005 | 2006–2010 | 2011–2015 |
|---|---|---|---|---|
| Старение изоляции | 876 / 406 / 133 | 1307 / 488 / 192 | 1835 / 540 / 166 | 1701 / 525 / 63 |
| Перегрузка | 131 / 69 / 21 | 182 / 71 / 25 | 262 / 75 / 25 | 243 / 61 / 26 |
| Перенапряжения в режиме ОЗЗ | 460 / 145 / 30 | 944 / 262 / 79 | 1704 / 484 / 116 | 2187 / 545 / 170 |
| Коммутационные перенапряжения | 197 / 60 / 12 | 399 / 107 / 58 | 1442 / 429 / 141 | 2754 / 606 / 202 |
| Внешние перенапряжения | 219 / 9 / 7 | 327 / 0 / 8 | 524 / 19 / 5 | 405 / 20 / 13 |
| Механическое воздействие | 241 / 131 / 16 | 327 / 215 / 33 | 656 / 260 / 30 | 567 / 223 / 4 |
| Неустановленные причины | 66 / 44 / 14 | 144 / 48 / 22 | 131 / 56 / 20 | 243 / 40 / 33 |
| Всего | 2190 / 846 / 233 | 3630 / 119 / 417 | 6554 / 1863 / 503 | 8100 / 2020 / 653 |
Карьеры, разрезы / шахты, рудники / горноперерабатывающие предприятия
Численный рост ОЗЗ в системах электроснабжения карьеров и угольных разрезов в основном обусловлен коммутационными перенапряжениями, перенапряжениями в режиме ОЗЗ и естественным старением изоляции (увеличение в 7,04; 2,77 и 1,62 раза соответственно). Однако основополагающим фактором роста количества ОЗЗ являются КП и перенапряжения в режиме ОЗЗ.
Аналогичная тенденция наблюдается в системах электроснабжения 6–10 кВ шахт и рудников: количество КЗ из-за КП и перенапряжений в режиме ОЗЗ возросло в 3,42 и 2,0 раза соответственно. За счет естественного старения изоляции в системах электроснабжения шахт и рудников КЗ стали возникать реже в 1,45 раза.
Численный рост ОЗЗ в системах электроснабжения 6–10 кВ шахт и рудников обусловлен следующими основными факторами: КП, перенапряжениями в режиме ОЗЗ и естественным старением изоляции кабельных линий и электрооборудования. Рост ОЗЗ за период с 2006 по 2015 г. по сравнению с 1995–2005 гг. из-за указанных факторов составил 6,2; 2,53 и 1,19 раза соответственно.
Рис. 1. Динамика процентных соотношений основных причин КЗ в системах электроснабжения 6–10 кВ горных предприятий:
а – карьеры и угольные разрезы; б – шахты и рудники; в – горноперерабатывающие предприятия
В системах электроснабжения 6–10 кВ горноперерабатывающих предприятий в сравниваемые периоды времени численный рост КЗ обусловлен не только КП, перенапряжениями в режиме ОЗЗ, но и естественным старением изоляции элементов систем электроснабжения и высоковольтных электроприемников – 4,2; 3,05 и 1,19 раза соответственно.
Численный рост ОЗЗ обусловлен в основном КП и перенапряжениями в режиме ОЗЗ соответственно в 4,9 и 2,62 раза, так как из-за естественного старения изоляции количество ОЗЗ в сравниваемые периоды времени увеличилось в 1,01 раза, т. е. практически не изменилось.
Исходя из изложенного, можно утверждать, что на современном этапе развития систем электроснабжения 6–10 кВ рассмотренных промышленных предприятий основными причинами аварийности распределительных сетей и электрооборудования являются коммутационные перенапряжения и перенапряжения, возникающие в режиме ОЗЗ. На указанные причины приходится более 72 % КЗ и 82 % ОЗЗ. Естественное старение изоляции электрооборудования, кабельных и воздушных линий оказывает влияние на возникновение ОЗЗ в системах электроснабжения 6–10 кВ карьеров и угольных разрезов, шахт и рудников. Это в первую очередь связано с перемещением фронта работ и влиянием вибрационных нагрузок. Следует отметить, что ОЗЗ в сетях 6–10 кВ карьеров и угольных разрезов по сравнению с шахтами и рудниками происходят в 1,36 раза чаще. Это доказывает негативное влияние климатических факторов на процесс старения изоляции электрооборудования, кабельных и воздушных линий.
Очевидно, что эффективное ограничение коммутационных перенапряжений и перенапряжений в режиме ОЗЗ позволит значительно снизить аварийность в системах электроснабжения горных предприятий.
Для научно-технического обоснования эффективных методов оценки и средств ограничения указанных перенапряжений необходимо иметь информацию о наиболее повреждаемых электроприемниках и элементах системы электроснабжения.
В табл. 3 приведено распределение КЗ и ОЗЗ по типам электроприемников и основным элементам системы электроснабжения горных предприятий в зависимости от доли вакуумных выключателей в общем количестве выключателей, эксплуатируемых в системах электроснабжения 6–10 кВ.
При анализе распределения КЗ и ОЗЗ временной промежуток был разбит на две части в зависимости от количества вакуумных выключателей, эксплуатируемых в сетях 6–10 кВ. Первая часть охватывала период с 1995 по 2005 г., когда доля вакуумных выключателей от общего числа высоковольтных выключателей, эксплуатируемых на горнодобывающих (карьеры, угольные разрезы, шахты и рудники) и горноперерабатывающих предприятиях составляла 18 и 12 % соответственно. В период с 2006 по 2015 г. происходит интенсивное внедрение вакуумных выключателей на рассматриваемых предприятиях. Доля современных быстродействующих выключателей, эксплуатируемых на горнодобывающих и горноперерабатывающих предприятиях, в настоящее время составляет 67 и 57 % соответственно. Произошло увеличение доли вакуумных выключателей в общем количестве выключателей на данных предприятиях в 3,7 и 4,8 раза.
Анализ аварийных отключений показывает, что использование современных выключателей в сетях 6–10 кВ приводит к росту однофазных замыканий на землю и КЗ. Например, на горнодобывающих предприятиях увеличение доли вакуумных выключателей в 3,7 раза привело к тому, что число ОЗЗ возросло в 2,4 раза, а число КЗ увеличилось в 1,5 раза. Увеличение количества быстродействующих выключателей на горноперерабатывающих предприятиях в 4,8 раза соответственно привело к тому, что число однофазных замыканий на землю возросло в 1,9 раза, а КЗ – в 1,8 раза. Это связано с тем, что вакуумные выключатели инициируют возникновение более высоких уровней КП по сравнению с масляными и электромагнитными выключателями. Величина КП может превышать номинальное напряжение сети в 3,5–6,5 раз [2]. Подобные перенапряжения представляют серьезную опасность для изоляции электродвигателей и трансформаторов (табл. 3).
|
Элемент системы электроснабжения или тип электроприемника |
Причина повреждения | Удельный вес, % | |||
|---|---|---|---|---|---|
| ОЗЗ | КЗ | ||||
| 1995–2005 | 2006–2015 | 1995–2005 | 2006–2015 | ||
| Распределительная подстанция | Пробой изоляторов | 0,2 / 3,8 / 2,4 | 0,1 / 4,3 / 0,5 | 0,3 / 2,5 / 1,1 | 0,2 / 2,2 / 0,8 |
|
Пробой изоляции разделки кабеля |
1,8 / 11,5 / 9,8 | 0,6 / 12,8 / 6,3 | 1,6 / 8,6 / 10,3 | 2,5 / 7,7 / 9,2 | |
| Перекрытия ввода выключателя | 0,7 / 0,5 / 0,8 | 0,2 / 0,6 / 0,6 | 0,14 / 0,8 / 2,7 | 0,3 / 0,4 / 2,6 | |
|
Пробой изоляции трансформаторов тока |
0,3 / 0,2 / 0,2 | 0,1 / 0,3 / 0 | 0 / 0,1 / 0,3 | 0 / 0,1 / 0,2 | |
| Всего | 3 / 16 / 13,2 | 1 / 18 / 7,4 | 2 / 12 / 14,5 | 3 / 10,4 / 12,8 | |
| Воздушная ЛЭП | Пробой изоляторов | 2,2 / – / – | 0,4 / – / – | 0,3 / – / – | 0,2 / – / – |
| Схлестывание проводов | 6,7 / – / – | 4,3 / – / – | 10,3 / – / – | 9,8 / – / – | |
| Обрыв проводов | 3,7 / – / – | 2,2 / – / – | 0,2 / – / – | 0,4 / – / – | |
| Механическое воздействие | 3,4 / – / – | 1,1 / – / – | 1,2 / – / – | 1,6 / – / – | |
| Всего | 16 / – / – | 8 / – / – | 13 / – / – | 12 / – / – | |
| Приключательный пункт | Пробой изоляторов | 1,1 / – / – | 0,4 / – / – | 1,2 / – / – | 1,4 / – / – |
|
Пробой изоляции разделки кабеля |
4,1 / – / – | 1,1 / – / – | 6,6 / – / – | 8,2 / – / – | |
|
Перекрытия ввода выключателя |
1,6 / – / – | 0,3 / – / – | 1,2 / – / – | 2,1 / – / – | |
|
Пробой изоляции трансформаторов тока |
0,2 / – / – | 0,2 / – / – | 0 / – / – | 0 / – / – | |
| Всего | 7 / – / – | 7 / – / – | 9 | 11,7 / – / – | |
| Кабельная ЛЭП |
Пробой изоляции кабеля |
13,7 / 11 / 39 | 2,8 / 6,2 / 6,5 | 10,4 / 14,1 / 31,9 | 4,4 / 12,3 / 12 |
|
Пробой изоляции кабельной муфты |
27,6 / 44 / 9,3 | 3,3 / 20 / 2,7 | 37,3 / 51,6 / 28,8 | 12,8 / 26,6 / 13,8 | |
|
Пробой изоляции разделки кабеля и электроприемника |
6,2 / 5 / 4,8 | 18,1 / 16,4 / 15,2 | 8,7 / 6,8 / 7,9 | 20,2 / 27,3 / 26,1 | |
| Обрыв кабеля | 2,4 / 4 / 2,6 | 2,6 / 2,8 / 0,5 | 3,2 / 1,2 / 2,0 | 1,1 / 1,2 / 1,5 | |
| Механическое воздействие | 6,1 / 9 / 11,3 | 2,2 / 7,6 / 3,0 | 5,4 / 7,3 / 4,6 | 2,0 / 3,1 / 2,8 | |
| Всего | 56 / 73 / 67 | 29 / 53 / 27,9 | 65 / 81 / 75,2 | 39,5 / 70,5 / 56,2 | |
| Трансформатор | Пробой изоляции обмоток | 6 / 3 / 5,8 | 14,2 / 7 / 14,3 | 3 / 4 / 4,8 | 8 / 12,3 / 14,2 |
| Электродвигатель | Пробой изоляции обмоток | 12 / 8 / 14 | 40,8 / 22 / 50,4 | 8 / 3 / 5,5 | 25,8 / 6,8 / 16,7 |
Карьеры, разрезы / шахты, рудники / горноперерабатывающие предприятия
Рис. 2. Динамика процентных соотношений основных причин ОЗЗ в системах электроснабжения 6–10 кВ горных предприятий:
а – карьеры и угольные разрезы; б – шахты и рудники; в – горноперерабатывающие предприятия
Данные табл. 3 показывают, что в период с 1995 по 2005 г. ОЗЗ и КЗ возникали в основном в кабельных линиях напряжением 6–10 кВ. В период с 2006 по 2015 г. серьезно возрастает количество ОЗЗ и КЗ из-за пробоев изоляции обмоток электродвигателей, трансформаторов и разделок кабелей на вводах электродвигателей и трансформаторов. Удельный вес ОЗЗ и КЗ, связанных с пробоями изоляции обмоток электродвигателей, трансформаторов и разделок кабелей, эксплуатируемых на горнодобывающих и горноперерабатывающих предприятиях, в указанный период возрос в 3,06 и 2,82; 2,8 и 2,6 раза соответственно.
Это еще раз указывает на высокие уровни перенапряжений, инициируемых вакуумными выключателями при коммутации электродвигателей и трансформаторов, и на недостаточную эффективность существующих средств ограничения КП, в роли которых в основном выступают нелинейные ограничители перенапряжений.
Итак, в настоящее время основными причинами возникновения ОЗЗ и КЗ являются коммутационные перенапряжения и перенапряжения в режиме ОЗЗ. Естественное старение изоляции, связанное с технологическими и климатическими факторами, оказывает влияние на возникновение ОЗЗ в сетях 6–10 кВ карьеров и угольных разрезов.
Наиболее повреждаемыми элементами систем электроснабжения и электроприемников являются разделки кабелей, трансформаторы и электродвигатели, а широкое внедрение вакуумных выключателей, доля которых от общего числа высоковольтных выключателей достигает или превышает 60 %, привело к росту ОЗЗ на горнодобывающих и горноперерабатывающих предприятиях соответственно в 2,4 и 1,5 раза, а количество КЗ практически возросло в 2 раза.
Для снижения роста аварийности в системах электроснабжения 6–10 кВ горных предприятий в первую очередь необходимо использовать эффективные средства ограничения коммутационных перенапряжений и перенапряжений в режиме ОЗЗ, так как данные факторы оказывают наиболее сильное влияние на возникновение КЗ и ОЗЗ.
Библиографический список
- Кузьмин С. В., Зыков И. С., Майнагашев Р. А., Ящук К. П. Анализ аварийности в системе электроснабжения 6–10 кВ горно-металлургических предприятий Сибири // Горное оборудование и электромеханика. 2009. № 3. С. 23–25.
- Кузьмин С. В., Гаврилова Е. В., Барышников Д. В. Влияние процесса дугогашения в высоковольтных выключателях на величину коммутационных перенапряжений, возникающих в сетях 6…10 кВ горнодобывающих предприятий // Горное оборудование и электромеханика. 2009. № 2. С. 41–44.
- Серов В. И., Щуцкий В. И., Якудаев Б. М. Методы и средства борьбы с замыканиями на землю в высоковольтных системах горных предприятий. М.: Наука, 1985. 136 с.
- Дягтерев И. Л., Кадомская К. П., Копылов Р. В. Режимы заземления нейтрали и защиты от перенапряжений электрических сетей вращающимися электрическими машинами // Ограничение перенапряжений в режиме заземления нейтрали сети 6–35 кВ: тр. III Всерос. науч.-техн. конф. / под ред. К. П. Кадомской и др. Новосибирск, 2004. 200 с.