Введение к работе
Актуальность работы. Шахтные силовые кабели вследствие большой протяженности и тяжелых условий эксплуатации относятся к наиболее легко уязвимым и опасным элементам подземных электрических сетей. На их долю приходится до 40 % аварий. Высокая повреждаемость кабелей является одной из основных причин взрывов рудничной атмосферы, возникновения пожара или поражения электрическим током.
Наиболее распространенные повреждения типа прокол, порез в изоляции гибких кабелей, "заплывающий" пробой в бумажно-масляной изоляции бронированных кабелей имеют, как правило, скрытый характер и не могут быть эффективно определены с помощью допущенного к применению в шахте мегомметра М 1102 с выходным напряжением до 500'В. Это связано с тем, что основным параметром, определяющим состояние изоляции кабелей, особенно высоковольтных, является электрическая прочность, которая может быть надежно оценена только повышенным напряжением.
В общепромышленных условиях для испытания изоляции силовых кабелей используются аппараты типа АИИ-70, создающие повышенное выпрямленное напряжение, а поиск места повреждения осуществляется на основе прожигания изоляции кабеля с помощью специальных установок. Однако по условиям безопасности такие методы и средства испытания электрической прочности и поиска мест повреждений изоляции силовых кабелей не могут быть применены в шахтах, опасных по газу или пыли.
Из вышесказанного следует, что разработка безопасных и эффективных средств определения повреждений изоляции силовых кабелей в условиях шахт, опасных по взрывам газа и пыли, является актуальной задачей.
Диссертация отражает результаты исследований, выполненных автором в период с 1989 по 1999 годы в рамках отраслевых программ Государственного Восточного научно-исследовательского института по безопасности работ в горной промышленности.
Цель работы. На основе исследования закономерностей воздействия импульсного повышенного напряжения на изоляцию шахтных силовых кабелей разработать безопасные и эффективные средства для испытания и поиска мест повреждений изоляции кабелей в подземных условиях.
Идея работы состоит в применении импульса повышенного напряжения, имитирующего наиболее опасные коммутационные перенапряжения в шахтных сетях, для оценки электрической прочности изоляции шахтных кабелей 'и поиска мест их повреждения.
Задачи исследований:
исследовать волновые процессы при подаче импульса напряжения в кабельную линию с точки зрения равномерности распределения напряжения на отдельных участках кабеля;
провести исследования электрической прочности изоляции шахтных кабелей для обоснования параметров импульсного напряжения;
разработать средства для испытания и определения мест повреждений изоляции шахтных кабелей с применением импульсного повышенного напряжения;
исследовать условия безопасного применения импульсного напряжения в подземных выработках шахт.
Методы исследований. Вычислительные методы компьютерного моделирования распространения импульса по кабельной линии базировалась на численном решении гиперболического волнового уравнения в частных производных. Расчет переходных процессов в электрической цепи генератор-емкость кабеля основан на численном решении системы дифференциальных уравнений.
Экспериментальные исследования выполнены на специальном стенде, позволяющем исследовать влияние параметров импульсного напряжения на волновые явления и пробой изоляции шахтных кабелей с применением современной измерительной техники. Обработка статистических данных производилась на компьютере в системах Excel и MathCAD.
Научные положения, представленные к защите:
испытание и поиск повреждений изоляции шахтных кабелей могут осуществляться подачей импульсного напряжения, имитирующего наиболее опасные кратковременные коммутационные перенапряжения, возникающие в шахтных электрических сетях;
длительность фронта импульса по условиям электрического пробоя поврежденной изоляции и равномерного распределения его амплитуды вдоль кабельной линии должна быть не менее 50 мкс;
амплитуда импульсного напряжения для определения поврежденной изоляции шахтных гибких и бронированных кабелей должна быть равна (3-4) номинальным напряжениям UH;
наличие демпфирующих элементов в устройстве устраняет высокочастотные колебания и стабилизирует напряжение выходного импульса независимо от длины кабеля;
- вероятность воспламенения метановоздушной среды при
подаче импульсного напряжения в горных выработках угольных
шахт, опасных по газу и пыли, составляет 6,3-10", что обеспечи
вает безопасность при проведении работ, связанных с определени
ем повреждений изоляции шахтных кабелей.
Достоверность научных положений подтверждается:
- применением апробированных методов математического
моделирования и согласованностью математического описания с
физическими представлениями о протекающих процессах;
представительным объемом экспериментального материала (более 300 образцов кабелей) и его обработкой методами теории вероятности и математической статистики;
сходимостью в удовлетворительных пределах расчетных зависимостей с данными, полученными в экспериментах;
положительными результатами испытаний и внедрения средств определения повреждений изоляции силовых кабелей на шахтах, опасных по газу и пыли.
Научная новизна работы:
выявлены закономерности распределения амплитуды волны импульсного напряжения вдоль кабельной линии при различных длительностях фронта импульса и длинах кабеля;
установлены зависимости электрической прочности изоляции кабелей в зависимости от длительности и амплитуды импульсного напряжения;
разработаны средства для испытания и поиска мест повреждений изоляции шахтных кабелей.
Практическая ценность работы Разработаны безопасные и надежные средства испытания и поиска мест повреждений изоляции кабелей в условиях шахт, опасных по взрывам газа и пыли. Испытано и внедрено устройство АШИК для определения поврежденной изоляции шахтных кабелей импульсным напряжением и искатель места пробоя кабеля ИКП
Реализация результатов работы На основе научных и практических результатов, полученных в процессе диссертационных исследований, разработано и согласовано "Руководство по безопасной проверке изоляции взрывозащнщенного электрооборудования и кабелей в шахтах".. Средства определения повреждений изоляции шахтных кабелей прошли промышленные испытания и внедрены на шахтах и разрезах России. Устройство под названием "аппарат АШИК", а также искатель места повреждения кабеля ИКП
серийно выпускаются Кемеровским экспериментальным заводом средств безопасности (КЭЗСБ).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях Ученого совета ВостНИИ, Технических советов акционерных обществ "Ленинск-уголь", "Северокузбассуголь", "Челябинскуголь", "Востсибуголь", "Якутуголь", "Красноярскуголь", научно-техническом семинаре "Перспективные технические средства обеспечения электробезопасности в промышленности" (г. Севастополь, 1989 г.), научной конференции "Безопасность и надежность электроснабжения Северных районов страны" (г. Норильск, 1989 г.).
Публикации. Результаты диссертационных исследований, включая научные положения, выводы и рекомендации автора, содержатся в 11 опубликованных работах, включая отраслевой нормативный документ и 3 авторских свидетельства.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 170 наименовании и 2 приложении, изложенных на 125 страницах, содержит 58 рисунков и 14 таблиц.
