Содержание к диссертации
Введение
1. Современном состояние вопроса и обоснование задачи исследований 12
1.1. Общие положения 12
I.2. Обзор основных исследований состояния изоляции шахтных низковольтных электрических сетей - главнейшего средства электробезопаености 14
1.3 Задачи исследований 23
2. Методика экспериментальных исследований параметров изоляции шахтных гиних экранированных кабелей и проходных изоляторов шахтной аппаратуры, обеспечивающихбезопасность
2.1. Общие положения 26
2.2. Методика определения параметров изоляции шахтных гибких кабелей при напряжениях 660 и Ц40 В с ис ключениеы влияния концевых разделок 26
2.3. Методика определения параметров изоляции разделок гибких кабелей при напряжениях 660 и II40 В в условиях высокой влажности и запыленности воздуха 33.
2«4. Методика исследований изменений параметров изоляции проходных изоляторов рудничного электрооборудования при напряжениях 660 и II40 В в условиях высокой влажности и запыленности воздуха 41
2.5. Методика обработки и анализа экспериментальных данных. 47
2.5.1. Методика обработки и анализа результатов иссле дований параметров изоляции кабелей марки РРШЭ и их разделок 47
2.5.2. Методика обработки и анализа результатов исследований параметров изоляции проходных изоляторов- Стр.
Анализ результатов исследований изменений параметров изоляции и разделок кабелей марки ГРШЭ при напряжениях б60 И 1140 В
3.1. Анализ результатов измерений полного сопротивления изоляции кабелей 33
3.2. Анализ результатов измерений омического сопротив ления изоляции кабелей 60
3.3. Анализ результатов исследования изменения омического сопротивления и t j изоляции кабелей марки ГРШЭ при длительных климатических испытаниях 69
3.4. Анализ результатов исаледрвания параметров изоляции кабелей марки ГРШЭ при нагреве
3.5. рекомендации по увеличению поверхностного сопротивления изоляции концевых разделок гибких кабелей 93
3.6. Выводы 98
Анализ влияния климатических факторов на изменение параметров изоляции проходных изоляторов рудничного электрооборудования при напряжениях 660 и 1140 в
4.1. Конструкция проходных изоляторов 101
4.2. Изменение сопротивления изоляции изоляторов при высокой относительной влажности воздуха
4.3 Влияние токопроводящей угольной пыли на величину минимального уровня сопротивления изоляции проходных изоляторов 116
4.4. разработка методов повышения уровня сопротивления изоляции проходных изоляторов при напряжении ІІ40B 123
4.5. Метод аналитического определения периодичности: проведения профилактического контроля состояния изоляции вводных устройств рудничной пусковой аппаратуры 132
4.6. Номограмма для определения периодичности проведения профилактического контроля состояния изоляции вводных устройств рудничного электрооборудования 141
4.7. Выводы.. 150
5. Динамика изменения сопротивления иболяции гроходцых изоляторов рудничного электрооборудования, концевых разделок гибких кашей и ее влияние на элекгробез-опасность
5.1. Изменение полного и омического сопротивлений изоляции проходных изоляторов при циклическом изменении температуры 152
5.2. Определение функций, описывающих изменения полного и омического сопротивления изоляции проходных изоляторов при циклических изменениях температуры 159
5.3. Скорости изменения сопротивления изоляции, проходных изоляторов при длительном воздействии повышенной влажности и температуры 169
5.4. Динамика изменения омического соцротивления изоляции концевых разделок кабелей при одновременном воздействии температуры и повышенной влажности 176
5.5. Влияние динамики омического соцротивления изоляции на электробезопасность участковых электрических сетей 181
5.6. Выводы 199
Заключение 201
Список литературы
- Обзор основных исследований состояния изоляции шахтных низковольтных электрических сетей - главнейшего средства электробезопаености
- Методика определения параметров изоляции шахтных гибких кабелей при напряжениях 660 и Ц40 В с ис ключениеы влияния концевых разделок
- Анализ результатов измерений омического сопротив ления изоляции кабелей
- Влияние токопроводящей угольной пыли на величину минимального уровня сопротивления изоляции проходных изоляторов
Обзор основных исследований состояния изоляции шахтных низковольтных электрических сетей - главнейшего средства электробезопаености
Известным примером работ такого плана является исследование к.т.н. В.А.Мысика в условиях шахт П.О."Карагандауголь". Исследования изменения сопротивления изоляции шахтной участковой сети в условиях ее нормальной работы производились с помощью самопишущих приборов как в рабочих режемах, так и в режимах охлаждения электродвигателей, гибких кабелей, пусковой аппаратуры [70, 7l].
Впервые целенаправленным изучением динамики состояния изоляции отдельных элементов шахтных электрических сетей в условиях эксплуатации начал заниматься к.т.н. Н.ИЛеботаев [97]. На основании экспериментальных данных им получены эмпирические формулы, описывающие процесс изменения сопротивления изоляции пусковой аппаратуры в зависимости от времени эксплуатации. Наличие таких зависимостей позволило определить скорость изменения активной проводимости изоляции аппаратуры в любой момент времени после начала ее эксплуатации.
Большое внимание в работе к.т.н. Н.И.Чеботаева уделено вопросам профилактики изоляционных деталей пускателей и фидерных автоматических выключателей. Протирка проходных,опорных изоляторов,валиков контактов приводила к повышению уровню сопротивления изоляции примерно в ю раз. Однако,им не были даны конкретные рекомендации по определению периодичности проведения профилактики пусковой аппаратуры в зависимости от условий эксплуатации. В 1960-1965 г.г, в МакНИИ проведены исследования параметров изоляции шахтной электроаппаратуры в тепловлагокамере при напряжении 660 В с целью обоснования норм на расстояня утечки по поверхностям различных изоляционных материалов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию электрооборудования, а также изучения работоспособности отдельных узлов шахтных пускателей и кабелей при высокой относительной влажности воздуха и наличии токопроводящей угольной пыли [8, 9, 10].
Как показали исследования [8, 9, 10, 49, 68] , пыль оказывает большое влияния на уровень сопротивления изоляции, а следовательно, на безопасность и надежность работы электрооборудования. Проникая внутрь оболочек электрооборудования и оседая на поверхности изоляционных деталей, пыль в сочетании с влагой образует токопроводящие мостики, которые, являясь побочными электрическими цепями, приводят к возникновению токов утечек на землю опасной величины.
Особую опасность представляет переход электрического разряда в дуговое короткое замыкание (к.з.) по поверхности изоляции, на которой имеется слой пыли. Выполненные к.т.н. Ю.П.Антоновым [&] исследования по определению минимальных расстояний между электродами, при которых возможно дуговое к.з., показали, что поддерживать высокий уровень сопротивления изоляции в сетях напряжением 660 В при наличии на поверхностях изоляционных деталей даже тонких слоев пыли - весьма затруднительно. Наличие осевшей пыли ухудшает также процессы теплообмена в электрооборудовании.
Измерения сопротивления изоляции участковых электрических сетей на угольных шахтах Кузбасса [49, бб, 68] позволили установить, что сопротивление изоляции кабеля определяется сопротивлением его разделок, которое определяется, в свою очередь, загрязнением и степенью влажности поверхности изоляции силовых ЖИЛ. Большое влияние на снижение сопротивления изоляции в разделках кабелей оказывает конденсация влаги (адсорбция) на поверхности, Процесс адсорбции начинается при относительной влажности 4С и протекает особенно интенсивно при относительной влажности т и выше .[58].
Наличие угольной пыли внутри оболочек электрооборудования ускоряет процессы конденсации влаги, так как частицы угольной пыли, осевшей на элементы электрооборудования, становятся центрами конденсации [73]. Исследования процессов конденсации влаги в оболочках пускателей показали, что в оболочках со свободным объемом 100 л за сутки может выделиться около 15 г влаги [Ю, 97].
В настоящее время в СССР утвержден стандарт ГОСТ 14254-80 [104], устанавлиаающий степени защиты оболочек электрооборудования и методики испытаний (в том числе, на пылепроницаемость), согласно которому для оболочек устанавливаются две степени защиты - IP5 и П 6.
СтепенЬ защиты П 5 - это "пылезащищенное" исполнение, допускающее проникновение пыли в оболочку, но в количествах, не нарушающих нормальный режим электрооборудования. IP6 - степень защиты, которую можно охарактеризовать как "пыленепроницаемое" исполнение, исключающее попадание пыли в оболочку [4, 104].
Оболочки магнитных пускателей, применяемых в отечественной горной промышленности, имеют степень защиты Р5. Действительно, пыль, проникающая в оболочки, снабженные уплотнительными прокладками, в большинстве случаев не приводит к нарушению нормального режима. Однако, возможны случаи обрыва резиновых уплотни тельных прокладок, что обуславливает свободное перемещение их в канавках корпусов или крышек аппаратов, фи закрывании крышек уплотнитель
Методика определения параметров изоляции шахтных гибких кабелей при напряжениях 660 и Ц40 В с ис ключениеы влияния концевых разделок
Измерения тока утечки через изоляцию кабелей марки ГРШЭ производились с исключением влияния концевых разделок на переменном и постоянном токах согласно методике экспериментальных исследований (2.2). Пб полученным данным определялись параметры Н. , Г .
На каждой ступени приложенного напряжения измерения тока утечки осуществлялись два раза: первый раз - при увеличении напряжения до предельного значения, установленного методикой; второй раз - при уменьшении напряжения. К обработке принималось среднее арифметическое значение тока утечки, определенное по данным двух измерений.
На постоянном и переменном напряжениях измерения тока утечки производились на нескольких образцах кабелей одного и того же сечения. Для каждой ступени напряжения определялись средние арифметические значения омического и полного сопротивлений силовой жилы кабеля по отношению к заземляющей жиле ( Гф. , Ъ ) и междуфазного омического и полного сопротивлений изоляций ( Г , Средняя арифметическая является оценкой математического ожи дания [28]. Поэтому в дальнейшем речь идет об оценке математичес кого ожидания Г , Г _ , Z p. . 2 ,9. значения Г , г , 2. , р- р., подвергались обра ботке на ЭШ ЕС 1022 по методу наименьших квадратов, с целью получения уравнений функциональных зависимостей Г р-Ь KU„) , Построение графиков зависимости величины омического сопротивления изоляции rM«i(tMcn и Ц5-Ct»сп) базируется на методике анализа временных рядов, примененной впервые для анализа результатов измерений сопротивления изоляции шахтных участков сетей д.т»н В.И.Щуцким [lG3].
Согласно положениям метода д.т.н.Щуцкого В.И., полученный в результате измерений любой частный график изменения сопротивления Изоляции сети за какой-либо промежуток времени представляет собой случайную последовательность значений. Совокупность значений величин сопротивления изоляции, соответттвующих определенным моментам времени /представляет собой временной ряд, на который распространяется действие закона больших чисел. Таким образом, процесс изменения сопротивления изоляции при одновременном влиянии нескольких факторов (повышенная влажность, наличие токопрсводящей пыли, тепловое старение и т.д.) может быть оценен некоторой средней, которая является функцией времени. В [103] такая средняя названа динамической средней, представляющей собой средний уровень временного ряда.
Через каждые 200 часов в процессе длительных испытаний по результатам ежедневных измерений параметров Г и to5 должно определяться значение математического ожидания, которое, в свою очередь, является динамической средней [ИЗ]. Таким образом,цроцесс изменения омического сопротивления изоляции и ta5 за 200 часов испытаний характеризуется значениями динамической средней.
По этим значениям отроятся графики зависимостей = KtHtn) а to5= 4 исп} , которые затем подвергаются обработке на ВВМ ЕС 1022 с целью определения вида уравнения, Программа обработки на ЭВМ предусматривает получение уравнений зависимостей ЫИнсп) и 1go Kt ) также по методу наименьших квадратов.
Уравнение, обеспечивающее наилучшее приближение к экспериментальным данным, определяется по минимуму критерия Гаусса, значение которого вычислялось по формуле [95]: Л- n-m где У0 - экспериментальные значения ; vj - значения Z.(P) , вычисленные по полученным уравне ниям; И число наблюденных пар значений; m - числоО роизввлььны хостооянны хли ивободнны хараметров, Значения критерия Гаусса также вычисляются на ЭВМ.
Процесс изменения полного тока утечки при длительных исследованиях кабелей с увлажненными и загрязнннными концевыми разделками записывается на диаграммную бумагу с помощью самопишущих вольтмиллиамперметров Н372. Полученные диаграммы обрабатываются на электронной машине "Силуэт"; по результатам обработки строятся графики зависимости полного тока утечки от температуры нагрева изоляции f и времени испытаний.
Анализ результатов измерений омического сопротив ления изоляции кабелей
Фи определении зависимости омического сопротивления изоляции от величины напряжения постоянного тока многие авторы [б, 39, 69, 75, 89] пришли к выводу, что при увеличении напряжения, начиная с 150 00 В» изменения сопротивления изоляции; незначительны. Исследования, проведенные к.т.н. В.Г.Соболевым в диапазоне изменения напряжения Ог-300 В [бэ] , к.т.н . Ю.П1.Антоновым (O4-400 В) [б], показали, что зависимость омического сопротивления изоляции от величины приложенного напряжения является убывающей функци ей.
О зависимости Г =J-(U_.) для резиновой изоляции при напряжении выше 400 В в литературных источниках сведения отсутствуют.
Поэтому при проведении исследований изоляции кабелей марки ГРШЭ ставилась задача выявления на основании экспериментальных данных закономерностей изменения омического сопротивления изоляции в диапазоне 300 6000 В постоянного напряжения.
Измерения омического сопротивления изоляции проводились согласно методике экспериментальных исследований (глава 2, п.2.2). Омическое соцротивление изоляции кабелей марки ГРШЭ 3x50+1x104-3x4 измерялось в диапазоне напряжений 00-6000 В. Напряжение подавалось ступенями через каждые 300 В до 3000 В и через каждые 500 В в диапазоне 3000 6000 В. Омическое сопротивление изоляции каОелей сечением 16, 25, 35 мм измерялось в диапазоне 300 «-3000 В. Напряжение ступени было равно 300 В.
По результатам исследований 40 кабелей марки ГРШЭ сечением 16, 25, 35, 50 мм были построены зависимости значений математического ожидания омического сопротивления изоляции от величины приложенного напряжения (рис.3.2 f3.7).
Исследования показали, что графики, цредставяяющие процесс изменения омического сопротивления изоляции силовых жил кабеля по отношению к заземяяющей жиле, а также по отношению друг в другу, состоят из двух участков,
Первый участок - от 3Ш до 3000 В, на котором омическое сопротивление изоляции уменьшается до установившегося значения, второй участок - от 3000до 6000 В, на котором вновь наблюдается резкое уменьшение величины омического сопротивления изоляции. Установившегося значения величины омического сопротивления изоляции на этом участке не наблюдается.
Исследования электрической прочности изоляции кабелей марки ГРП при различном радиусе изгиба силовых жил, выполненные при участии автора [29 ] , показали, что при напряжениях до б кВ значительное влияние на .величину тока сквозной проводимости и. электрическую прочность кабеля оказывают дефекты в структуре изоляции - воздушные или твердые включения. Наличие дефектов в структуре приводит к искажению силовых линий электрического поля вокруг жилы кабеля, нацряженность поля в диэлектрике в месте. дефекта значительно возрастает, врледствие этого в изоляции начинают протекать процессы, предшествующие пробою, и поэтому омическое сопротивление изоляции резко уменьшается. На рис.3.3-3.4 приведены эмпирические зависимости r WL) для кабеля ГРШЭ 3x50+1x10+3x4, построенные по уравнениям, полученным на ЭВМ и описывающим процесс снижения омического сопротивления изоляции (без разделения на участки). Наилучшее цриближение к экспериментльнным данным дает уравнение вида K=fvU для которого, критерий Гаусса имеет наименьшее значение: 0,58; 0,63; 0,81, На рис3.5-3.7 приведены эмпирические зависимости „ fClL) для кабеля ГРШЭ 5x50+1x10+3x4, построенные по уравнениям,полученным на ЭВМ (без разделения на участки). Как и для зависимостей Р =:f(lL) , наилучшее приолижение дает уравнение степенной функции. Критерий Гаусса имеет значения: 1,06; 0,««; 0,59.
Зависимости омического сопротивления изоляции от величины приложенного напряжения использовались для получения оооощенных уравнений, характериуующих кабель в целом.
Для кабелей марки ГРШЭ 8x50+1X10+3x4 получены обобщенные / уравнения для диапазона напряжений 400 Ї- 6000 В, а для кабелей сечением 16, 25 и 35 мм для диапазона напряжений 400 t 3000 В.
В табл.3.3-3.4 приведены обобщенные уравнения для кабелей марки ГРШЭ, полученные на ЭВМ по методу наименьших квадратов.
На рис.3.8 и 3.9 показаны графики зависимостей 1 JcUj Рф-Ф » » построенные по обобщенным уравнениям.
Анализируя графики 3.8 и 3.9, можно сделать вывод, что при напряжении II40 В постоянного тока оценка математического ожидания омического сопротивления изоляции кабелей ( ) сечением 16, 25, 35 и 50 m соответственно составляет 4300, 3900, 3750 и 2350 МОмма сопротивления Гф-(р 6250, 4800, 3500 и 2600 МОм.
Таким, образом, величина омического сопротивления изоляции кабелей при исключении влияния концевых разделок достаточна для обеспечения безопасной эксплуатации; электрических сетей напряжением II40 В.
Влияние токопроводящей угольной пыли на величину минимального уровня сопротивления изоляции проходных изоляторов
В цроцессе; испытания в результате запыления и увлажнения концевых разделок наблюдалось уменьшение величины омического. сопротивления изоляции кабелей. Установлено, что значения динамических средних омического сопротивления изоляции при одинаковых климатических условиях и состоянии разделок различны для кабелей разного сечения. Наименьшими значениями динамической средней характеризуется процесс снижения омического сопротивления изоляции кабелей сечением 16 мм .
В табл,3.8 приведены значения отношений динамических сред них для гибких кабелей сечением 25, 35 и 50 мм к динамическим средним для кабеля 16 мм ( — І ) в зависимости от време ни испытаний. Анализ данных показывает, что для кабелей, нахо дившихся под напряжением 660 В и ШО В, соотношение :: после 1000 час испытаний практически одинаково. ч»- сіб)
Для кабелей сечением 16, 25, 35 и 50 мм при наличии на поверхности силовых жил разделок угольной пыж, находившихся в процессе испытаний под напряжением П40 В, зафиксирован более низкий уровень омического сопротивления изоляции, чем для кабелей, находившихся под напряжением 660 В (рис. 3.10 - 3.13). Однако, при проведении соответствующих профилактических мероприятий, в частности, удалении пыли с концевых разделок, возможно поддержание более высокого уровня сопротивления изоляции кабелей цри напряжении ПОД В, чем при напряжении 660 В. В процессе исследований для изучения влияния профилактических мероприятий па величину омического сопротивления изоляции проводилась профилактика концевых разделок кабелей сечением 50 мм , находившихся под напряжением ГОО В. Профилактические мероприятия начали осуществляться после 1800 часов испытаний и продолжались 400 часов, В результате периодической очистки от угольной пыли поверхностей силовых жил, концевых разделок омическое сопротивление изоляции образцов кабелей увеличилось в шесть раз (рис.3.13)
Начиная с 2200 часов испытаний, профилактические мероприятия проводились одновременно в течение 200 часов для образцов, находившихся под напряжением 660 и Ц40 В. Вследствие проведения мероприятий омическое сопротивление изоляции увеличилось (рис,3.13)
После прекращения профилактических мероприятий омическое сопротивление изоляции кабелей вновь снижалось. Таким образом, проведение мероприятий способствует повышению величины омического сопротивления изоляции кабелей как при 13 = 660 В, так и и = Ц40 В, повышению уровня электробезопасности,
Тангенс угла диэлектрических потерь ( too ) характеризует качество изоляции и определяется отношением активной и реактивной составяяющих полного сопротивления изоляции toS = — (З.4) Ьо . В процессе исследований для "Цо , аналогично как и для f , вычислялись в определенные моменты времени динамиче ские средние. По значениям динамических средних построены экспериментальные зависимости tgWttHcn) (рис. 3,10 3.13), Обработка данных на дШ для установления вида функциональной зависимости показала, что хорошо согласуется с экспериментальными данными уравнение степенной функции. Уравнения зависимости too-J-ct cn) приведены в табл,3,9,
Отношение значений динамических средних (по данным обработки на ЭВМ) к динамической средней для кабеля ГРШЭ 3x16+1x10+3x4 Исследованиями установлено, что величина toS при увеличении времени испытаний возрастает вследствие увлажнения и загрязнения концевых разделок, причем образцам кабелей, находившимся под напряжением ШО В, соответствует большее значение tq5 , чем для образцов, находившихся под напряжением 660 В.
В табл,3.9 приведены значения toS после 1000 часов испытаний и в конце срока испытаний для U = 1140 Ви ІЗ = 660 В, а также величины соотношения между этими, значениями. Анализ результатов показал, что величины to S для всех кабелей, находившихся под напряжением 660 В, примерно одинаковы. Аналогичный вывод можно сделать и для кабелей, находившихся под нацряжением ГОО В.
До настоящего времени исследования параметров изоляции гибких кабелей при нагреве были прУведены к.т.н.В.Г.Соболевым [75]. Однако эти исследования проводились не с целью выявления влияния повышения рабочего напряжения на параметры изоляции, а с целью выявления резерва изоляции при увеличении тока нагрузки.
Влияние повышения напряжения на параметры изоляции кабелей исследовалось на стенде, электрическая схема которого приведена на рис.2«4. В процессе испытаний фиксировались омическое сопротивление изоляции Р , температура нагрева изоляции силовых жил, ток утечки через изоляцию на переменном напряжении. Рассмотрим, как изменяется величина полного сопротивления изоляции кабелей в зависимости от температуры нагрева силовых жил. Согласно [39, 751, полное сопротивление изоляции кабеля можно определить по формуле Ze JL , 0М (3.5) где и - величина приложенного напряжения. В; Т - ток утечки через изоляцию, А.
Ток утечки через изоляцию при приложении переменного напря-жения равен суше активной и реактивной составяяющих [47, 751 » [100] . Если активное сопротивление велико, то активная составляющая тока утечки будет мала по сравнению с реактивной, которая определяется емкостным сопротивлением, В этом случае, ток утечки через изоляцию будет определяться реактивной составляющей, и поэтому полное сопротивление можно считать равным емкостному: U 1-X; X = — Ом- (3.6) При испытаниях минимальное значение величины активной про водимости изоляции было в Ю-15 раз меньше величины полной про водимости изоляции. Следовательно, влиянием активной составляю щей на величину i можно пренебречь. Щюцесс изменения полного тока утечки при нагреве записывался с помощью самопишущих миллиамперметров Н372. Полученные диаграммы зависимости полного тока от времени нагрева изоляции силовых жил были обработаны на фотоэлектронной машине "Силуэт". На рис.3.14 показаны диаграммы изменения полного тока утечки через изоляцию кабеля ГРШЭ 3x25+1x10+3x4 при напряжении 660 и ГОО В. Аналогичные диаграммы были получены для кабелей сечением 16, 35 и 50 мм . Всего было обработано, около 200 графиков зависимости полного тока от времени нагрева.
