Все для безопасности

Группа донецких и днепропетровских ученых создала и внедрила инновационный комплекс оборудования для питания, управления и защиты технологических систем горных производств. Работа выдвинута на соискание Государственной премии Украины в области науки и техники 2010 года.

Авторы разработки — специалисты Национального горного университета и Украинского научно-исследовательского, проектно-конструкторского и технологического института рудничного и взрывозащищенного электрооборудования. Один из них — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электрических машин НГУ Федор Шкрабец.

— Федор Павлович, что послужило толчком к началу исследований?

— Как известно, основная задача угольной и горнорудной промышленности — рост объемов добычи угля, руд черных и цветных металлов, других полезных ископаемых. Это неизбежно сопровождается повышением мощностей добычных, проходческих и транспортных машин, увеличением протяженности электрических сетей. В то же время системы электроснабжения горных машин имеют спе­цифические особенности. Во-первых, наиболее энергоемкие машины находятся в лавах (забоях), а источники их питания — трансформаторные подстанции — расположены на штреках. То есть центры энергоснабжения и энергопотребления технологически не могут быть объединены. Во-вторых, основные горные машины — передвижные, по­этому подведение электроэнергии к ним может быть обеспечено гибкими кабелями, имеющими ограниченное поперечное сечение жил.

К чему это приводит? Наращивать мощности горных машин (а значит, и их производительность) при заданном уровне питающего напряжения можно только до определенной границы. Попытки дальнейшего увеличения мощности ведут к значительной потере напряжения в кабельных сетях и снижению его на зажимах электродвигателей, особенно в пусковых режимах. Как следствие — неустойчивая работа горных машин.

— Где же выход?

— Возможен лишь один путь — повышение номинального напряжения систем электроснабжения. В этой связи угольная промышленность первой перешла к электроснабжению участков шахт напряжением 660 В вместо 380, а высоковольтные электрические сети повсеместно были переведены с 3 кВ на 6.

Однако позже оказалось, что для высокопроизводительных очистных, проходческих и транспортных комплексов и такого уровня номинального напряжения недостаточно. По­явилась потребность в переходе на более высокое напряжение. Впервые в мировой практике украинские специалисты разработали электрооборудование на 1140 В. Однако развал Союза, финансовые трудности и ослабление централизованного управления шахтами привели к парадоксальной ситуации: в период становления в Украине не было ни одного участка, работающего при таком напряжении.

Ситуация изменилась в последние несколько лет, когда после массового закрытия шахт потребовалось наращивать объемы добычи угля. Напряжение в 1140 В начало широко внедряться на украинских шахтах. В результате мощность электроприводов очистных комбайнов увеличилась более чем в 4 раза и достигла 860 кВт.

Однако такое повышение номинального напряжения ведет к росту степени опасности эксплуатации оборудования. Подземные условия работы сопряжены с ограниченностью и слабой освещенностью при его эксплуатации и ремонте, высокими влажностью (до 98%) и температурой, а также наличием токопроводящей пыли, взрывоопасных газо- и пылевоздушных смесей… Все это потребовало решения ряда серьезных научно-технических проблем, связанных с защитой людей от поражения электрическим током, подземных электроустановок и систем электроснабжения — от аварийных режимов работы, а электрооборудования — от передачи взрывов в окружающую среду.

— При такой сложности стоящих перед вами проблем работа наверняка отличается многогранностью. Назовите основные задачи, которые удалось решить.

— Нам удалось наладить серийное производство принципиально нового комплекса взрывозащищенного электрооборудования для производств со взрыво-, пожароопасной и агрессивной средой.

Для этого действительно пришлось решить немало задач. Среди них — исследование причин ускоренного разрушения изоляционных материалов и покрытий металлических деталей при высоких напряжениях, разработка научных основ создания аппаратов, систем контроля и защиты от токов утечек, а также других аварийных режимов, обоснование и реализация нового безопасного способа организации подземного электровозного транспорта на основе бесконтактной передачи энергии.

В ходе исследований возникало и немало, так сказать, побочных (но очень важных) проблем. К примеру, попытки быстрого перевода подземных электроустановок на повышенное напряжение были задержаны на несколько лет ранее не известным фактором — катастрофически быстрым снижением сопротивления изоляции, выходом из строя взрывозащищенных и рудничных комплексных аппаратов управления и защиты. Скажем, срок службы пускателей на 660 В составлял от нескольких недель до трех месяцев.

Столкнувшись с этой проблемой, мы разработали модель расчета электронных молекулярных термов и открыли новую закономерность развития высокоскоростных физико-химических реакций в рудничной атмосфере. Речь идет о поверхностных процессах в низкотемпературной плазме газового разряда, которые сопровождаются разрушением молекул и образованием новых соединений под влиянием электрического поля точечных зарядов (катализаторов химических процессов).

Это оказалось фактически открытием для специалистов, разрабатывающих взрывозащищенное электрооборудование, и помогло им определить главное направление в его создании — разработка и применение коммутационных аппаратов, осуществляющих гашение электрической дуги в герметизированных (а со временем и вакуумных) камерах. По инициативе УкрНИИВЭ в Украине впервые было организовано производство контакторов с вакуумными дугогасительными камерами на токи 160, 250, 400 А и напряжение до 1200 В.

Впервые в мире мы разработали и организовали серийное производство средств снижения токов утечки — устройств автоматической компенсации емкостных токов в аппаратах защиты, выявления и защитного заземления фаз сети с поврежденной изоляцией.

По данным исследований, однофазные замыкания на землю составляют 70—90% причин в общем количестве шахтных аварий. Более того, они становятся причиной развития больших цепочечных (каскадных) аварий, охватывающих всю распределительную сеть. К примеру, такое замыкание на шахте им. А.Стаханова ГП «Красноармейск­уголь» вызвало лавинообразную цепочечную аварию с пробоем изоляции в 10 местах.

В такой ситуации самое действенное мероприятие по предупреждению развития цепочечных аварий — прерывание их в начальной стадии, то есть устранение первого пробоя изоляции в сети.

Мы провели комплексные исследования переходных процессов в распределительных сетях напряжением 6 кВ при однофазных замыканиях на землю и других возможных аварийных режимах работы сети (в том числе в реальных условиях угольных шахт). Это послужило базой для разработки надежного устройства селективной защиты от однофазных замыканий на землю типа БНЗ.

Сейчас оно встраивается в комплектные распределительные устройства типа КРУВ-6, КРУРН-6, УК-6 и повсеместно применяется в распределительных сетях угольных шахт, рудников Украины и стран СНГ.

Я привел лишь несколько примеров. На самом деле нам удалось решить гораздо больше задач.

— Что в итоге вошло в созданный вами комплекс взрывозащищенного и рудничного электрооборудования?

— Комплектные распределительные устройства с аппаратами защиты, управления и системной автоматики на напряжение 6 кВ; взрывозащищенные трансформаторные подстанции серий ТСВП и КТПВ с соответствующими средствами защиты; комплектные аппараты управления и защиты технологических комплексов; средства защиты от токов утечек и максимального тока в подземных сетях напряжением 660 и 1140 В.

— Доказан ли практикой экономический эффект от внедрения ваших разработок?

— Во-первых, скажу, что созданные нами новые серии взрывозащищенных аппаратов и систем защиты полностью удовлетворили потребности украинских предприятий в таком оборудовании, обеспечив безопасную эксплуатацию горных электроустановок, подземных систем электроснабжения и транспорта.

Кроме того, это позволило на порядок повысить надежность работы шахтных и рудничных аппаратов управления и защиты при высоких уровнях напряжения (660 и 1140 B). Такие аппараты впервые созданы в Украине, а принципы их построения теперь широко используются в мировой практике.

Наконец (опять-таки — впервые в мире), созданы универсальные высоконадежные аппараты защиты персонала от поражения электрическим током при напряжении до 1140 В. Об эффективности предложенных нами технических средств защиты свидетельствует тот факт, что в Украине и других странах СНГ на протяжении 10 лет не было зарегистрировано ни одного случая поражения человека электрическим током, несмотря на высокий уровень напряжения.

Экономический эффект от внедрения наших разработок в производство за последние 5 лет составил свыше 250 миллионов гривень. На отечественных заводах — изготовителях взрывозащищенного и рудничного электрооборудования созданы новые рабочие места. И их продукция вполне конкурентоспособна на мировом рынке!

Немаловажно, на мой взгляд, и то, что предложенные нами технические решения вполне применимы и в других отраслях: на предприятиях  химической промышленности, добычи и транспортировки нефти и газа…

— Каковы творческие планы вашего коллектива?

— Сейчас мы занимаемся научным обоснованием и разработкой концепции перевода питания подземных потребителей глубоких энергоемких шахт на напряжение до 35 кВ. Такая необходимость уже назрела.