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.