CC BY
90
М.В. Гришин
канд. техн. наук, заведующий лабораторией ОАО «НЦ ВостНИИ»
УДК 622:621.3
ЭФФЕКТИВНЫЙ КОНТРОЛЬ ИЗОЛЯЦИИ ШАХТНЫХ КАБЕЛЕЙ
Приведен анализ проблем, связанных c проверкой изоляции и определением повреждений шахтных кабелей.
Показано, что изоляция шахтных кабелей наиболее эффективно и безопасно проверяется импульсным напряжением, имитирующим кратковременные перенапряжения в сети.
Ключевые слова: ШАХТНЫЕ КАБЕЛИ, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ИЗОЛЯЦИЯ, ИМПУЛЬСНОЕ ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ
Шахтные силовые кабели вследствие большой протяженности и специфических условий эксплуатации относятся к наиболее легко уязвимым и опасным элементам шахтных электроустановок. В подземном электрохозяйстве удельный вес кабелей особенно велик в силу специфики работы горных машин и механизмов, большинство из которых по технологическим условиям добычи угля должны иметь возможность перемещаться в горных выработках при непрерывном электроснабжении. Передвижной характер работ вызывает частую их повреждаемость горными машинами, кусками угля и породы. Более того, в поврежденном месте под воздействием постоянно возникающих значительных коммутационных перенапряжений при высокой влажности и наличии токопроводящей пыли может произойти пробой с открытым электрическим разрядом, который во многих случаях становится источником взрыва газа и пыли. В результате расследования аварий на шахтах «Антоновская» (2001), «Алардинская» (2003), «Октябрьская» (2003), «Сибирская» (2004) и «Тайжина» (2004) установ-
лено, что источником воспламенения метана явилась открытая электрическая дуга в месте повреждения кабеля горными машинами, кусками угля или породы. Следует отметить, что в большинстве случаев взрывы происходят и при нормально работающей защите от токов утечки или тока замыкания на землю. Это обусловлено тем, что существующие методы контроля и проверки изоляции кабелей не позволяют эффективно определять повреждения в кабеле.
Основная проблема заключается в том, что наиболее распространенные повреждения типа прокол, порез, раздавливание в гибких кабелях или «заплывающий» пробой в бумажно-масляной изоляции бронированных кабелей имеют, как правило, скрытый характер и не могут быть определены испытательным напряжением ниже номинального. Например, если в гибкий кабель напряжением 6 кВ вбить, а затем вынуть гвоздь, то при измерении даже мегомметром на 2,5 кВ определить повреждение не удается. Но при подаче рабочего напряжения возникает мощный пробой с выбросом электрической дуги. Низка эффективность проверки состоя-
ния изоляции и у систем предварительного контроля посредством блокировочного реле утечки (БРУ) [1]. В соответствии с действующими нормативами [2] выходная цепь БРУ должна быть искробезопасной при отключенной контролируемой сети, поэтому реле БРУ может быть эффективно только при металлических замыканиях или при общем снижении сопротивления изоляции. Например из-за увлажнения, что не характерно для применяемой сейчас изоляции.
Таким образом, определять состояние изоляции шахтных силовых кабелей следует напряжением не менее номинального. Кроме того, важное значение имеет вид напряжения, которым проверяется изоляция кабеля.
Испытания силовых кабелей промышленных предприятий до недавнего времени в основном производились постоянным повышенным напряжением, превышающим номинальное в 4-6 раз. В связи с применением в кабелях новых видов изоляции (сшитый полиэтилен) испытания постоянным напряжением стали приводить к повреждению кабелей из-за формирования объемных зарядов в структуре полиэ-
тиленовой изоляции. Применение для испытаний переменного напряжения промышленной частоты 50 Гц ограничено емкостью кабеля и требует значительной мощности источника. Поэтому в оборудовании зарубежных фирм «Seba KMT»,
«Baur» (Германия), HV Diagnostic (Швейцария) применяется повышенное напряжение сверхнизкой частоты 0,1 Гц [3, 4]. Такие приборы в настоящее время считаются наиболее совершенными, тем не менее следует отметить, что длительные воздействия повышенного напряжения на кабель не характерны при эксплуатации, и поэтому существует опасность снижения ресурса кабеля после таких испытаний, а также в условиях шахт значительно увеличивается вероятность вспышек и возгораний.
Неразрушающие методы диагностики состояния кабеля на основе анализа возвратного напряжения в изоляции кабелей и измерения тангенса угла диэлектрических потерь tg S [5] могут оценить косвенно общий ресурс кабелей. Специфика эксплуатации шахтных кабелей состоит в том, что повреждения их изоляции по причине старения изоляции довольно редки. Обычно кабель повреждается раньше выработки своего ресурса.
За рубежом в последнее время развиваются методы измерения и локализации частичных разрядов наносекундной длительности, которые появляются в слабых местах изоляции и приводят к развитию дефекта. Критериями оценки работоспособности кабелей по данному методу являются: уровень частичных разрядов, частота и их интенсивность. Однако аппаратура довольно сложна, имеет высокую стоимость. Существует проблема в интерпретации результатов измерений частичных разрядов.
Вместе с тем для адекватной проверки изоляции кабелей следует применять те максимальные воздействия, которые существуют при эксплуатации. Это, прежде всего, импульсное напряжение, имитирующее кратковременные перенапряжения, которые постоянно возникают при включениях, отключениях и замыканиях. На этой основе в 70-80-е годы прошлого века в ВостНИИ был разработан аппарат АШИК [6] и обоснованы его параметры [7].
Для выяснения эффективности импульсного напряжения рассмотрим его воздействие на изоляцию в сравнении с постоянным и переменным напряжениями. Различное влияние вида напряжений можно объяснить тем, что изоляционный материал, применяемый в шахтных кабелях, обладает физической неоднородностью и содержит включения с различными проводимостью и диэлектрической проницаемостью. Процессы, происходящие в реальной изоляции (резина, поливинилхлорид и др.), можно рассмотреть на модели неоднородного диэлектрика (рисунок 1).
На схеме замещения обозначено: гг и Г2 - сопротивления изоляции первого и второго слоя диэлектрика; сг и с2 - емкости первого и второго слоя диэлектрика; u(t) и rQ - напряжение и внутреннее сопротивление генератора напряжений; Uj и и2 - напряжения на слоях изоляции.
Для приведенной модели система дифференциальных уравнений относительно напряжений иг и и2 имеет вид:
1—ч 1 s' "а 1
dt q Jo
du2 1 ’l
dt c2 1 |
(1)
Решение этой системы производилось системой MathCAD.
При исследовании рассматривались три вида генераторов напряжения, воздействующих на изоляцию, с параметрами выходного напряжения и внутреннего сопротивления, приведенными в таблице 1.
Форма импульсного напряжения представлена на рисунке 2.
Низкое внутреннее сопротивление генератора импульсного напряжения объясняется тем, что при импульсе можно создать значительно большую мощность, чем при постоянном или импульсном напряжении.
Предположим, что произошло повреждение изоляции второго слоя. Это вызовет уменьшение сопротивления Г2 и емкости с2 второго слоя.
Примем для расчета:
г1 = 105 Ом; г2 = 103 Ом; с1 = 2,10-7 Ф; с2 = 2,10-8 Ф.
Для сравнения действия различных напряжений на слои изоляции примем ио = 1.
С помощью компьютерного моделирования рассмотрим распределение напряжений слоев изоляции и1 и и2 при подаче на них постоянного, переменного и импульсного напряжений (рисунок 3).
При включении генератора постоянного напряжения распределение напряжений слоев и1 и и2 устанавливается в соответствии с активными сопротивлениями слоев Г1 и г причем на поврежденном слое напряжение значительно снижается, а в слое с нормальной изоляцией возрастает Поэтому при проверке повреждение обнаруживается только при высоких значениях испытательного напряжения, когда может произойти пробой слоя с низким сопротивлением изоляции.
При подаче переменного напряжения промышленной частоты 50 Гц напряжения и1 и и2 распределяются как пропорционально активным сопротивлениям г1 и г2, так и емко-
стям слоев с и с2. Распределение напряжений более равномерное, чем при генераторе постоянного напряжения. Выявление повреждений происходит в основном за счет действия фактора времени (продолжительности), вызывающего тепловое и ионизационное разрушение диэлектрика.
Однако это не соответствует реальным условиям эксплуатации силовых кабелей. На практике рабочее напряжение частотой 50 Гц повышается на 5-10 % от и и лишь в аван
рийных случаях при замыканиях на землю в 1,7 раза. Следовательно, длительное приложение (до 5 мин) переменного испытательного напряжения, в несколько раз превосходящего ин, не соответствует
Таблица 1 - Параметры подаваемого напряжения
Вид напряжения генератора Уравнение выходного напряжения Внутреннее сопротивление, Ом
Постоянное(выпрямленное) иЦ)=и0 ю4
Переменное и(()=ио.зт(ю#+<у ю4
Импульсное и(1)=ио(е*-е*) 50
реальным условиям эксплуатации кабелей. Кроме того, из-за относительно большой емкости кабельной линии значительно возрастает необходимая мощность генератора переменного напряжения.
Импульсное напряжение с длительностью фронта 50-100 мкс имитирует коммутационные перенапряжения, возникающие при эксплуатации шахтных кабельных сетей, которые часто являются причиной пробоя. При подаче импульса распределение напряжений происходит по емкостям слоев изоляции. Напряжение на поврежденном слое увеличивается даже при значительном снижении активного сопротивления поврежденного слоя. Поэтому импульсное напряжение позволяет эффективно выявлять поврежденную изоляцию.
На величину напряжений слоев и1 и и2 оказывает большое влияние и внутреннее сопротивление генератора го. Применение импульсного напряжения позволяет создавать генераторы с низким внутренним сопротивлением, высокой мощности и малыми габаритами.
Таким образом, использование импульсного напряжения, имитирующего кратковременные коммутационные перенапряжения в подземных электрических сетях, позволяет наиболее эффективно и безопасно проверять и определять повреждения в кабелях.
Рисунок 3 - Осциллограммы распределения напряжений по целому и1 и поврежденному и2 слоям изоляции при подаче различных видов напряжений
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Гришин, М.В. Повышение эффективности контроля изоляции подземных электроустановок / М.В. Гришин // Безопасность труда в промышленности. - 2011. - № 5. - С. 18-21.
2 ГОСТ 22929-78 Аппараты защиты от токов утечки рудничные для сетей напряжением до 1200 В. Общие технические условия.
3 Привалов, И.Н. Неразрушающая диагностика силовых кабельных линий номинальным напряжением 6-35 кВ / И.Н. Привалов // Электротехнический рынок. - 2008. - № 2. - С. 48-54.
4 Кустов, А.Г Существует ли в России диагностика силовых кабельных линий и электрооборудования и зачем она нужна / А.Г. Кустов // Энергетика и промышленность России. - 2006. - № 8 - С. 18-19.
5 Канискин, В.А. Кабели 10 кВ с бумажно-пропитанной изоляцией. Неразрушающий метод диагностики / В.А. Канискин, С.А. Коцур, И.Н. Привалов // Новости электротехники. - 2005. - № 5. Режим доступа: http://www.news.elteh.ru/ аг1"|/2005/35/16.р11р, свободный. - Загл. с экрана.
6 Гришин, В.А. Профилактические испытания шахтных кабелей импульсным методом / В.А. Гришин. - Кемерово, 1976. - 80 с.
7 Гришин, М.В. Разработка безопасных и эффективных средств определения повреждений изоляции шахтных кабелей импульсным напряжением: автореф. дисс. ... канд. техн. наук / М.В. Гришин. - Кемерово, 1999. - 22 с.
EFFICIENT CONTROL OF MINE CABLES INSULATION Гришин
M.V. Grishin Михаил Викторович
Analysis of the problems concerning check out of insulation and detecting faults е-mail: [email protected]
of mine cables is given.
It is shown that the mine cables insulation is mostly safely and effectively checked
with the impulse voltage, simulating transient overvoltages in the circuit.
Key words: MINE CABLES, ELECTRIC INSULATION, IMPULSE TEST
VOLTAGE
62
научно-технический журнал № 2-2012
ВЕСТНИК
