Обеспечение безопасности в распределительных электрических сетях горнодобывающих предприятий Республики Таджикистан

Во введении обоснована актуальность темы исследования и степень ее
разработанности, сформулированы цель и задачи исследования, обозначены
объект и предмет исследования, приведены научная новизна, теоретическая и
практическая значимость работы, методология и методы диссертационного ис-
следования, представлены положения, выносимые на защиту, отражены сведе-
ния о степени достоверности и апробации полученных результатов.
В первой главе выполнен анализ состояния ряда КРС напряжением 6 кВ,
дана их краткая характеристика, краткий обзор существующих технических
способов и средств обеспечения безопасности в КРС РТ. Анализ схем электро-
снабжения показал, что несмотря на то, что все схемы имеют множество разно-
видностей и модификаций, любая из них может быть разбита на более простые
радиальные участки. В этом случае осуществление контроля изоляции путем
измерения режимных параметров отдельных участков не вызывает затруднений
и может быть реализовано на практике.
По материалам службы по государственному надзору за безопасным веде-
нием работ в промышленности и горному надзору при Правительстве Респуб-
лики Таджикистан были проанализированы различные факторы, сопутствую-
щие травматизму. Анализ данных охватывал 10 лет – с 01.01.2011 по 31.12.2020
годы. Общее количество изученных случаев 103.
Во второй главе проведен обзор существующих методов определения па-
раметров изоляции фаз сети относительно земли в КРС, рассмотрены их досто-
инства и недостатки. Анализ показал, что наиболее удобным и безопасным яв-
ляется метод, основанный на подключении к одной из фаз сети дополнительной
емкости. Этот метод не только обеспечивает безопасность при выполнении из-
мерений, но и исключает снижение надежности электрических распредели-
тельных сетей. Кроме того, дополнительная емкость имеет стабильные пара-
метры, не изменяющиеся (в отличие от дополнительной активной проводимо-
сти) по мере выполнения измерений.
При эксплуатации электрических сетей на параметры изоляции сети отно-
сительно земли кроме электрических, тепловых и механических нагрузок, су-
щественное влияние оказывают и другие внешние воздействия (температура,
влажность, солнечная радиация, количество осадков). Эти воздействия вызы-
вают в изоляции сложные процессы, следствием которых является постепенное
ухудшение изоляционных свойств. Проведенный анализ показал, что наблюда-
ется снижение изоляционных свойств из-за влияния окружающей среды на
электрическую изоляцию, в условиях жаркого климата и высокогорья РТ, что
оказывает существенное влияние на надежность и безопасность эксплуатации
электроустановок.
На основании исследования метода измерения параметров изоляции отно-
сительно земли и оценки его точности, а также для проведения эксперимен-
тальных исследований состояния изоляции в КРС разработана методика изме-
рений в реальных электрических сетях напряжением 6 кВ с одновременным
контролем различных факторов, влияющих на процесс изменения этих пара-
метров (рис. 1).
Полученные результаты могут быть использованы для выбора и проверки
устройств контроля изоляции и защиты от однофазных замыканий на землю.
В третьей главе представлены результаты исследования влияния различ-
ных факторов на точность измерения параметров изоляции фаз сети относи-
тельно земли. Выполнение исследований в реальной КРС вызывает, как прави-
ло, определенные трудности, связанные с проведением организационных и тех-
нических мероприятий, обеспечивающих электробезопасность как для исследо-
вателей, так и для остальных работников, занятых в это время на тех или иных
работах.
В связи с указанными трудностями, для проведения исследований нами
была разработана компьютерная модель карьерной распределительной сети
напряжением 6 кВ в программной среде MATLAB-Simulink (рис. 2).
Известно, что полученные результаты, зависят от того, на сколько модель
корректно построена, правильно ли применены готовые блоки и определены их
параметры.
Рис. 1 – Методика измерений в реальных распределительных электрических
сетях напряжением 6 кВ
Для проверки адекватности компьютерной модели нами была рассмотрена
реальная КРС одного из горнодобывающих предприятий РТ. Адекватность мо-
дели проверена по значению тока однофазного замыкания на землю. Результа-
ты, полученные в процессе имитационного моделирования и при аналитиче-
ском расчете, имели небольшое расхождение, что позволяет считать имитаци-
онную модель адекватной.

Рис. 2 – Компьютерная модель электрической сети напряжением 6 кВ с изоли-
рованной нейтралью:1 – трехфазный источник напряжением 35 кВ; 2 – блоки,
моделирующие трехфазные трансформаторные подстанции; 3 – блоки изме-
рительных приборов; 4, 5, 6, 7 – выключатели; 8 – 17 – блоки, моделирующие
воздушные и кабельные линии с экскаваторами и буровыми станками; 18 – до-
полнительные емкостные проводимости, 19 – Блок «Powergui»
Исследование погрешностей определения параметров изоляции фаз сети
относительно земли заключается в раскрытии зависимостей величин активной
и емкостной проводимостей изоляции сети относительно земли от несимметрии
в сети, нагрузки и т.п.
Оценим влияние на точность измерения сопротивления изоляции фаз сети
относительно земли характера и величины нагрузки, а также несимметрии в се-
ти во время измерений с помощью разработанной компьютерной модели.
Для выявления влияния на результаты измерений естественной несиммет-
рии в карьерной распределительной сети, характера и величины нагрузки в ней,
а также для принятия окончательного решения по вопросу проведения реаль-
ных исследований в КРС нами были рассмотрены и исследованы различные
методики. При этом мы рассматривали влияние характера и величины нагрузки
при изменении её от 0 до 100 %, а естественной несиметрии – от 0 до 5 %.
На рис. 3 показано влияние величины полной нагрузки при изменении ее
от 0 до 100 % и несиметрии в сети от 0 до 5 % на результаты определения ис-
комых параметров по методике профессора Петрова О.А.
R, %C, %

-225
-12
-22
-325

-42-5
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 S, %0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 S, %
Uнс=0%Uнс=1%Uнс=2%Uнс=0%Uнс=1%Uнс=2%
Uнс=3%Uнс=4%Uнс=5%Uнс=3%Uнс=4%Uнс=5%
а)б)
Рис. 3 – Зависимости погрешностей δR (а) и δСф (б) при изменении полной
нагрузки от 0 до 100% и несиметрии в сети от 0 до 5 %
Из рис. 3. а и 3. б следует, что при несимметрии в сети от 0 до 5 % и изме-
нении нагрузки в сети от 0 до 100 % ошибка в оценке Сф достигает 28 %, а в
оценке Rф -40 %. На рис. 4 показано влияние тех же факторов на интересую-
щие нас параметры, определяемые по методике, разработанной на кафедре
БЖД ЮУрГУ.
R, %C, %
8-5

-6
-7
-8
5-9
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 S, %0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 S, %
Uнс=0%Uнс=1%Uнс=2%Uнс=0%Uнс=1%Uнс=2%
Uнс=3%Uнс=4%Uнс=5%Uнс=3%Uнс=4%Uнс=5%
Рис. 4 – Зависимости погрешностей δR (а) и δСф (б) при изменении полной
нагрузки от 0 до 100% и несиметрии в сети от 0 до 5 %
Анализ изменения погрешностей показывает (рис. 4. а и б), что интересу-
ющие нас факторы оказывают незначительное влияние на результаты измере-
ний. Погрешность в определении параметров изоляции фаз сети относительно
земли не превышает 8,3 %.
На рис. 5 показано аналогичное влияние величины полной нагрузки и
несиметрии, но по методике кандидата технических наук Лапченкова К.В.
R, %C, %
4845
3835
2825
8-5
-20 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 S, %
0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 S, %
Uнс=0%Uнс=1%Uнс=2%
Uнс=0%Uнс=1%Uнс=2%
Uнс=3%Uнс=4%Uнс=5%
Uнс=3%Uнс=4%Uнс=5%
а)б)
Рис. 5 – Зависимости погрешностей δR (а) и δСф (б) при изменении полной
нагрузки от 0 до 100% и несиметрии в сети от 0 до 5 %
Согласно рис. 5. а) и 5. б, нахождение по этой методике исследуемых па-
раметров может привести к ошибке в определении Сф и Rф до 50 %.
В работе также были рассмотрены и исследованы влияния величин актив-
ной и реактивной нагрузок при изменении последних от 0 до 100 % и несимет-
рии в сети от 0 до 5 % на результаты измерений по методикам указным выше.
Анализ полученных нами результатов подтверждает теоретические иссле-
дования, в которых показано, что при Uнс ≤ 1% первая и третья методики при-
менимы и дают приемлемые результаты, а при Uнс ≥ 1% пользоваться необхо-
димо второй методикой.
Следует особо отметить, что в КРС всегда наблюдается несимметрия, сле-
довательно, применение второй методики дает наименьшую погрешность, и
она может быть использована при проведении исследований интересующих нас
параметров в карьерных распределительных сетях.
На основании проведенных исследований с помощью разработанной нами
компьютерной модели и полученных результатов можно сделать вывод, что ха-
рактер и величина нагрузки, а также несимметрия в сети во время измерений
незначительно влияют на точность измерения в случае применения второй ме-
тодики.
В четвертой главе представлены экспериментальные исследования пара-
метров изоляции фаз сети относительно земли напряжением 6 кВ карьера «Тар-
рор» СП «Зеравшан». Экспериментальные измерения параметров изоляции
КРС-6 кВ таррорского карьера проводились в следующем порядке. Измерения
производились каждый час, при этом фиксировались температура, относитель-
ная влажность окружающего воздуха и солнечная радиация. В результате экс-
периментальных исследований по предложенной выше методике определены
изменения параметров изоляции фаз сети относительно земли (рис. 6. – рис. 8).
Z, кОмZ, кОм
y = 0,0041x + 21,806y = -0,0673x + 22,668
21,9222,8
21,8822,4
21,8422
21,821,6
21,7621,2
21,7220,8

8,7
11,3

12,4
12,5
13,5
14,3
15,1
15,2
15,8
17,5
20,4
21,4
t, °C
10,5

11,5
14,1
14,3
18,7
19,3
20,3
20,4
20,7
20,8
21,5
22,5
t, °С

а)б)
Z, кОмZ, кОм
y = 0,0355x + 21,583y = -0,0193x + 22,408
22,224
23,4
21,9
22,8
21,6
22,2
21,321,6
2121
8,2
13,5
14,8
15,3
16,1
16,5
17,1
18,2
18,4
18,7
20,3
22,5
23,1

10,1
11,4
15,8
16,8
17,6
18,2
18,7
20,1
20,6
20,9
21,5
21,6
23,4
t, °Ct, °C

в)г)
Рис. 6 – Влияние температуры на сопротивление изоляции сети относительно
земли в дни исследований

Z, кОмZ, кОм
y = 0,0024x + 21,82y = -0,0582x + 22,633
21,9222,8
21,8822,4
21,8422
21,821,6
21,7621,2
21,7220,8
S,
0,4

1051
0,26
315
870
0,1

1014
1015
1016
1025
0,19
0,55
0,63
0,72
987

S,
Вт/м²Вт/м²

а)б)
Z, кОмZ, кОм
y = 0,0249x + 21,6223,8y = -0,0376x + 22,452
22,2
2223,1
21,822,4
21,621,7
21,421
21,220,3
S,
0,7
1000
1024

1109
1135
1187
0,23
0,62
456
905
0,34
450
S,
Вт/м²Вт/м²
в)г)
Рис. 7 – Влияние солнечной радиации на сопротивление изоляции сети относи-
тельно земли в дни исследований
Z, кОмZ, кОм
y = -0,0042x + 21,863y = 0,0555x + 21,837
21,9222,8
21,8822,4
21,8422
21,821,6
21,7621,2
21,7220,8
22,15
19,2

22,3
23,1
24,3
25,7
43,8
47,5
48,5
56,5
56,6
57,9
59,2
50,61
31,6
38,3
39,7
40,2
44,1
45,4
46,8

55,5
57,5
64,6
66,2
,%, %

а)б)
Z, кОмZ, кОм
y = -0,0436x + 22,099y = -0,0183x + 22,421
22,224

2223,4

21,822,8
21,622,2
21,421,6
21,221
, %
33,71

29,11
27,8
30,2
31,8
33,4

34,1
35,7
36,8
38,2
40,2
42,3
43,3
67,3

23,2
23,6
23,8
26,6
26,7
27,4

30,1
30,3
36,5
40,3
53,5
, %

в)г)
Рис. 8 – Влияние относительной влажности на сопротивление изоляции сети
относительно земли в дни исследований

На рис. 6 – 8 а и в представлены графики изменения полного сопротивле-
ния изоляции фаз сети относительно земли, полученные на основании измере-
ний, проведенных при нормальной схеме электроснабжения и номинальной
нагрузке.
На рис. 6 – 8 б и г показано изменение полного сопротивления изоляции
фаз сети относительно земли при нормальной схеме электроснабжения, но ми-
нимальной нагрузке, обусловленной технологическими причинами.
Всего было проведено 52 замера, а количество данных, характеризующих
окружающую среду, составило 156. Столь малое их число не позволяет сделать
обоснованные выводы о влияние параметров окружающей среды, однако сле-
дует отметить влияние нагрузки на исследуемые параметры изоляции.
В дальнейшем целесообразно провести подобные измерения в течение го-
да, что позволит сделать обоснованные количественные выводы о влиянии па-
раметров окружающей среды на сопротивление изоляции фаз карьерной рас-
пределительной сети относительно земли.
Для распределительной сети карьера «Таррор» была разработана и иссле-
дована на компьютерной модели система контроля изоляции, основанная на
измерении режимных параметров сети.
На рис.9 представлена схема исследования, а в табл. 1 – результаты иссле-
дований. Данные исследования свидетельствуют о работоспособности устрой-
ства, практическом отсутствии зависимости результатов измерений от несим-
метрии в сети. Изменения нагрузки в электрической сети оказывают суще-
ственное влияние на результаты контроля параметров изоляции фаз сети отно-
сительно земли. Однако даже при нагрузке в сети 10 % от номинальной вели-
чина ошибки не превышает 91 %. По нашему мнению, для такого режима это
вполне допустимо.

Рис.9 – Схема проверки работоспособности разработанной системы
контроля изоляции

Табл. 1 – Результаты исследования работы СКИ на компьютерной модели карь-
ерной распределительной сети (Zф в модели 39,548 к Ом)
Активная нагрузкаРеактивная нагрузкаПолная нагрузка
в сетив сетив сети
Нагруз- Получен-Получен-Получен-
ка в се-ныеПогреш-ныеПогреш-ныеПогреш-
ти, %при из-ность при изме-ностьпри изме-ность
меренияхренияхрениях
Zф, кОмδ, %Zф, кОмδ, %Zф, кОмδ, %
10511–92,2854,2–95,4438,625–91
20268–85,2422,33–90,6220,39–82
30172,842–77,12280,62–86147,177–73,13
40129,918–69,55210,15–81,2110,546–64,2
50104–62167,9–76,4488,522–55,3
6086,84–54,4139,82–71,773,84–46,4
7074,5–47119,79–6763,337–37,5
8065,26–39,4104,77–62,255,452–28,7
9058,06–3393,08–57,549,328–20
10052,29–24,383,75–52,7744,427–11
11047,54–16,876,12–4840,41–2,13
12043,64–9,369,76–43,337,0657
13040,3–1,864,34–38,534,23615,5
14037,455,659,78–33,831,8124,3
Система контроля изоляции позволяет селективно контролировать не-
сколько десятков таких участков. Опрос участков выполняется циклически и
при обнаружении снижения сопротивления изоляции какого-либо участка ниже
установленного уровня соответствующая информация появляется на блоке
отображения, при дальнейшем снижении – система отключает аварийный уча-
сток.
Предлагаемая система контроля сопротивления изоляции сети относитель-
но земли, состоящая из устройства контроля изоляции и устройства автомати-
ческого отключения отходящей линии со сниженной изоляцией фаз, обеспечи-
вает минимальную возможность ложного срабатывания устройства отключения
и минимальное время перерыва в электроснабжении.
Оценка вероятности возникновения электроопасной ситуации в КРС
напряжением 6 кВ с изолированной нейтралью при наличии системы контроля
изоляции была проведена с помощью логико-вероятностного метода. Результат
оценки показывает, что внедрение в практику разработанной нами системы
контроля изоляции обеспечит снижение вероятности возникновения электро-
опасной ситуации в 20,5 раз. Кроме того, это внедрение одновременно суще-
ственно снизит возможное число вызванных ОЗЗ, и обеспечит определенный
социально-экономический эффект.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В диссертационной работе дано новое решение актуальной научно-
технической задачи, направленное на повышение безопасности в карьерных
распределительных электрических сетях напряжением 6 кВ, заключающееся в
разработке методики измерения параметров изоляции фаз сети относительно
земли в КРС напряжением 6 кВ, исследовании и оценки ее точности, а также в
разработке системы контроля изоляции для указанных сетей.
На основании выполненных теоретических и экспериментальных исследо-
ваний можно сделать следующие выводы по работе.
1. В результате анализа известных методов определения параметров изо-
ляции относительно земли в распределительных электрических сетях выявлены
их достоинства и недостатки, выполненный анализ методов определения пара-
метров изоляции относительно земли в распределительных электрических се-
тях с изолированной нейтралью напряжением 6 – 35 кВ показал, что наиболее
перспективным и безопасным является косвенный метод измерения, основан-
ный на подключении к одной из фаз дополнительной емкости. Кроме того, до-
полнительная ёмкость имеет стабильные параметры, не меняющиеся при вы-
полнении измерений.
2. Обоснована и разработана компьютерная модель карьерной распредели-
тельной электрической сети напряжением 6 кВ в программной среде
Matlab/Simulink, использование которой позволило проанализировать влияние
на результаты измерений величины и вида нагрузки, а также наличия и величи-
ны несимметрии в сети при проведении измерений, основанных на подключе-
нии к одной из фаз сети дополнительной емкости. Сравнительный анализ, ре-
зультатов полученных на компьютерной модели КРС 6кВ с изолированной
нейтралью, показал, что выбранная нами методика предпочтительнее и может
быть использована в КРС при наличии естественной несимметрии, а также из-
менении величины нагрузки, при этом погрешность в определении параметров
изоляции не превышает 8,3 %.
3. Разработана методика измерения параметров изоляции относительно
земли в карьерной распределительной сети с одновременным контролем раз-
личных факторов, влияющих на процесс изменения этих параметров.
4. Впервые проведена оценка динамики влияния факторов окружающей
среды (температуры воздуха, солнечной радиации и относительной влажности
воздуха) на параметры изоляции карьерной распределительной сети относи-
тельной земли. Установлено, что на их изменение влияет также величина
нагрузки в сети при её неизменной схеме.
5. Для повышения безопасности КРС напряжением 6 кВ с изолированной
нейтралью разработана система непрерывного контроля параметров изоляции
фаз сети относительно земли, основанная на измерении режимных параметров.
Внедрение указанной системы контроля изоляции обеспечит уменьшение веро-
ятности возникновения электроопасной ситуации не менее чем в 20,5 раз.
6. Результаты исследований внедрены в службе по государственному
надзору за безопасным ведением работ в промышленности и горному надзору
при Правительстве Республики Таджикистан, в карьерных распределительных
сетях ООО СП «Зеравшан», а также в учебном процессе на кафедрах «Электро-
снабжение и электробезопасность» и «Релейная защита» Института энергетики
Таджикистана, на кафедрах «Безопасность жизнедеятельности и экология» и
«Релейная защита и автоматика» Таджикского технического университета име-
ни академика М.С. Осими, на кафедре «Электроснабжения» Горно-
металлургического института Таджикистана и кафедре «Безопасность жизнеде-
ятельности» Южно-Уральского государственного университета (национального
исследовательского университета) при изучении соответствующих курсов.