Усе для безпеки
Група донецьких і дніпропетровських учених створила й упровадила інноваційний комплекс обладнання для живлення, управління та захисту технологічних систем гірничих виробництв. Роботу висунуто на здобуття Державної премії України в галузі науки і техніки 2010 року.
Автори розробки — фахівці Національного гірничого університету й Українського науково-дослідного, проектно-конструкторського й технологічного інституту рудничного й вибухозахищеного електрообладнання. Один із них — доктор технічних наук, професор, завідувач кафедри електричних машин НДУ Федір Шкрабець.
— Федоре Павловичу, що стало поштовхом до початку досліджень?
— Як відомо, основне завдання вугільної та гірничорудної промисловості — збільшення обсягів видобутку вугілля, руд чорних і кольорових металів, інших корисних копалин. Це неминуче супроводжується підвищенням потужностей видобувних, прохідницьких і транспортних машин, збільшенням довжини електричних мереж. У той же час системи електропостачання гірничих машин мають специфічні особливості. По-перше, найбільш енергоємні машини перебувають у лавах (вибоях), а джерела їхнього живлення — трансформаторні підстанції — розташовані на штреках. Тобто центри енергопостачання й енергоспоживання технологічно не можуть бути об’єднані. По-друге, основні гірничі машини — пересувні, тому підведення електроенергії до них може бути забезпечене гнучкими кабелями, які мають обмежений поперечний переріз жил.
До чого це призводить? Нарощувати потужності гірничих машин (а отже, і їхню продуктивність) за заданого рівня живильної напруги можна тільки до певної межі. Усе-таки спроби подальшого збільшення потужності ведуть до значної втрати напруги в кабельних мережах і зменшення її на затискачах електродвигунів, особливо в пускових режимах. Як наслідок — нестійка робота гірничих машин.
— Де ж вихід?
— Можливий лише один шлях — підвищення номінальної напруги систем електропостачання. У зв’язку з цим вугільна промисловість першою перейшла на електропостачання дільниць шахт напругою 660 В замість 380, а високовольтні електричні мережі повсюдно були переведені з 3 кВ на 6.
Однак пізніше виявилося, що для високопродуктивних очисних, прохідницьких і транспортних комплексів і такого рівня номінальної напруги недостатньо. Виникла потреба в переході на більш високу напругу. Уперше у світовій практиці українські фахівці розробили електрообладнання на 1140 В. Однак розвал Союзу, фінансові проблеми та ослаблення централізованого управління шахтами призвели до парадоксальної ситуації — у період становлення в Україні не було жодної дільниці, яка працювала б за такої напруги.
Ситуація змінилася в останні кілька років, коли після масового закриття шахт треба було нарощувати обсяги видобутку вугілля. Напруга в 1140 В почала широко впроваджуватися на українських шахтах. У результаті потужність електроприводів очисних комбайнів зросла більш ніж у 4 рази й досягла 860 кВт.
Однак таке підвищення номінальної напруги веде до зростання ступеня небезпеки експлуатації обладнання. Підземні умови роботи поєднані з обмеженістю й поганим освітленням під час його експлуатації та ремонту, високими вологістю (до 98%) і температурою, а також наявністю струмопровідного пилу, вибухонебезпечних газо- і пилоповітряних сумішей… Усе це вимагало рішення певних серйозних науково-технічних проблем, пов’язаних із захистом людей від ураження електричним струмом, підземних електроустановок і систем електропостачання — від аварійних режимів роботи, а електрообладнання — від передачі вибухів у навколишнє середовище.
— За такої складності проблем, що стоять перед вами, робота напевно відрізняється багатогранністю. Назвіть хоча б основні завдання, які вдалося вирішити.
— Нам удалося налагодити серійне виробництво принципово нового комплексу вибухозахищеного електрообладнання для виробництв із вибухо-, пожежонебезпечним і агресивним середовищем.
Для цього дійсно довелося розв’язати чимало завдань. Серед них — дослідження причин прискореного руйнування ізоляційних матеріалів і покриттів металевих деталей у разі високих напруг, розроблення наукових основ створення апаратів, систем контролю й захисту від струмів витоків, а також інших аварійних режимів, обґрунтування й реалізація нового безпечного способу організації підземного електровозного транспорту на основі безконтактної передачі енергії.
У процесі досліджень виникало й чимало, так би мовити, «побічних» (але дуже важливих) проблем. Приміром, спроби швидкого переведення підземних електроустановок на підвищену напругу були затримані на кілька років раніше не відомим чинником — катастрофічно швидким зниженням опору ізоляції, виходом з ладу вибухозахищених і рудничних комплексних апаратів управління та захисту. Скажімо, термін служби пускачів на 660 В становив від декількох тижнів до трьох місяців.
Ставши перед цією проблемою, ми розробили модель обрахування електронних молекулярних термів і відкрили нову закономірність розвитку високошвидкісних фізико-хімічних реакцій у рудничній атмосфері. Ідеться про поверхневі процеси в низькотемпературній плазмі газового розряду, які супроводжуються руйнуванням молекул та утворенням нових сполук під впливом електричного поля точкових зарядів (каталізаторів хімічних процесів).
Це було фактично відкриттям для фахівців, які розробляють вибухозахищене електрообладнання, і допомогло їм визначити головний напрям у його створенні — розробку та застосування комутаційних апаратів, які гасять електричну дугу в герметизованих (а згодом і вакуумних) камерах. З ініціативи УкрНДІВЕ в Україні вперше було організовано виробництво контакторів із вакуумними дугогасильними камерами на струми 160, 250, 400 А і напругу до 1200 В.
Уперше у світі ми розробили та організували серійне виробництво засобів зниження струмів витоку — пристроїв автоматичної компенсації ємнісних струмів в апаратах захисту, виявлення й захисного заземлення фаз мережі з ушкодженою ізоляцією.
За даними досліджень, однофазні замикання на землю становлять 70—90% причин загальної кількості шахтних аварій. Більш того, вони стають причиною розвитку великих ланцюжкових (каскадних) аварій, які охоплюють усю розподільну мережу. Приміром, таке замикання на шахті ім. О. Стаханова ДП «Красноармійськвугілля» спричинило лавиноподібну ланцюжкову аварію із пробоєм ізоляції в десяти місцях.
У такій ситуації найдієвіший захід щодо попередження розвитку ланцюжкових аварій — переривання їх у початковій стадії, тобто усунення першого пробою ізоляції в мережі.
Ми провели комплексні дослідження перехідних процесів у розподільних мережах напругою 6 кВ під час однофазних замикань на землю та інших можливих аварійних режимів роботи мережі (у тому числі в реальних умовах вугільних шахт). Це стало базою для розроблення надійного пристрою селективного захисту від однофазних замикань на землю типу БНЗ.
Зараз він убудовується в комплектні розподільні пристрої типу КРУВ-6, КРУРН-6, УК-6 і повсюдно застосовується в розподільних мережах вугільних шахт, рудників України та країн СНД.
Я навів лише кілька прикладів. Насправді нам удалося вирішити набагато більше завдань.
— Що в підсумку ввійшло у створений вами комплекс вибухозахищеного й рудничного електрообладнання?
— Комплектні розподільні пристрої з апаратами захисту, керування та системної автоматики на напругу 6 кВ; вибухозахищені трансформаторні підстанції серій ТСВП і КТПВ із відповідними засобами захисту; комплектні апарати управління та захисту технологічних комплексів; засоби захисту від струмів витоків і максимального струму в підземних мережах напругою 660 і 1140 В.
— Чи доведений практикою економічний ефект від упровадження ваших розробок?
— По-перше, скажу, що створені нами нові серії вибухозахищених апаратів і систем захисту цілком задовольнили потреби українських підприємств у такому обладнанні, зробили безпечною експлуатацію гірничих електроустановок, підземних систем електропостачання та транспорту.
Крім того, це дозволило на порядок підвищити надійність роботи шахтних і рудничних апаратів управління та захисту за високих рівнів напруги (660 і 1140 B). Такі апарати вперше створені в Україні, а їхні принципи побудови тепер широко використовуються у світовій практиці.
Нарешті (знов-таки — уперше у світі), створені універсальні високонадійні апарати захисту персоналу від ураження електричним струмом за напруги до 1140 В. Про ефективність запропонованих нами технічних засобів захисту свідчить той факт, що в Україні та інших країнах СНД протягом 10 років не було зареєстровано жодного випадку ураження людини електричним струмом, попри високий рівень напруги.
Економічний ефект від упровадження наших розробок у виробництво за останні 5 років становить понад 250 мільйонів гривень. На вітчизняних заводах — виробниках вибухозахищеного й рудничного електрообладнання створені нові робочі місця. І їхня продукція цілком конкурентоспроможна на світовому ринку!
Немаловажливо, на мій погляд, і те, що запропоновані нами технічні рішення цілком застосовні й у інших галузях: на підприємствах хімічної промисловості, видобутку й транспортування нафти й газу…
— Які творчі плани вашого колективу?
— Зараз ми працюємо над науковим обґрунтуванням і розробленням концепції переведення живлення підземних споживачів глибоких енергоємних шахт на напругу до 35 кВ. Така необхідність уже назріла.
