Uwarunkowania podwyższenia napięcia znamionowego sieci rozdzielczych i zasilających w zakładach górniczych

Transkrypt

1 dr hab. inż. PIOTR GAWOR, prof. Pol. Śl. dr inż. SERGIUSZ BORON dr inż. ANDRZEJ CHOLEWA Katedra Elektryfikacji i Automatyzacji Górnictwa Wydział Górnictwa i Geologii Politechniki Śląkiej Uwarunkowania podwyżzenia napięcia znamionowego ieci rozdzielczych i zailających w zakładach górniczych W artykule przedtawiono wyniki analizy zakreu i możliwości wprowadzenia napięć wyżzych od 6 w ieciach rozdzielczych i zailających podziemnych zakładów górniczych. W analizie uwzględniono uwarunkowania wynikające z dopuzczalnej obciążalności i wytrzymałości zwarciowej kabli i aparatury, a także bezpieczeńtwa ekploatacji urządzeń elektrycznych.. WSTĘP Mimo że obecnie w ieciach rozdzielczych i zailających podziemnych zakładów górniczych toowane jet powzechnie napięcie nominalne 6, dopuzcza ię możliwość wprowadzenia napięcia wyżzego, tj. 0 [7]. Do niedawna korzytanie z takiej możliwości napotykało na znaczne ograniczenia wynikające głównie z braku dotępu do kabli, tacji tranformatorowych i aparatury rozdzielczej w wykonaniu górniczym, dotoowanych do napięcia wyżzego niż 6. Dzięki nowoczenym materiałom elektrotechnicznym (głównie elektroizolacyjnym), rozwiązaniom kontrukcyjnym ograniczenia te ą obecnie znacznie mniejze. Dlatego też coraz częściej ugerowane jet podwyżzenie napięcia nominalnego w górniczych ieciach SN; ą nawet udane próby realizacji tych potulatów [5]. Należy przypuzczać, że w przyzłości napięcie wyżze od 6 będzie nie tylko możliwym rozwiązaniem alternatywnym, ale tanie ię w nowoczenym zakładzie górniczym rozwiązaniem podtawowym. Wynika to przede wzytkim z utrzymującej ię tendencji wzrotu mocy jednotkowej mazyn przodkowych w górnictwie węgla kamiennego oraz wzrotu mocy zapotrzebowanej w podziemiach kopalń związanej, np. z możliwością intalowania w wyrobikach podziemnych wentylatorów głównych [3]. Zailanie dużych odbiorników (rzędu kilku megawatów) z itniejącej ieci o napięciu nominalnym 6 twarza coraz więcej problemów projektowych i ekploatacyjnych, zwłazcza w ytuacji konieczności uwzględnienia pecyficznych warunków podziemi kopalń, tawiających zczególnie wyokie wymagania dla odporności środowikowej urządzeń elektroenergetycznych i bezpieczeńtwa ich użytkowania. Podejmując temat podwyżzenia napięcia nominalnego ieci górniczych, można uwzględnić tylko wartość najbliżzą w zeregu napięć znormalizowanych, a więc 0. Perpektywicznie jednak, nie należy wykluczyć celowości zatoowania kolejnych wartości, tzn. 5 lub 20. W artykule przedtawiono wyniki analizy wybranych czynników warunkujących możliwość podwyżzenia napięcia. 2. ZALEŻNOŚĆ PRZEKROJU ŻYŁ KABLI SZYBOWYCH OD PRZESYŁANEJ MOCY I NAPIĘCIA NOMINALNEGO SIECI Kable zybowe tanowią jedno z ważniejzych ogniw kopalnianego układu elektroenergetycznego. Przekroje żył roboczych kabli zybowych powinny być tak dobrane [9], aby kable miały wytarczającą dla

2 Nr 7(46) LIPIEC danych warunków ieciowych obciążalność dopuzczalną długotrwale oraz obciążalność zwarciową. Dobrane przekroje żył roboczych należy dodatkowo prawdzić ze względu na wytępujące padki napięcia podcza pracy utalonej odbiorników, a w zczególnych przypadkach również padki napięcia wytępujące podcza rozruchu ilników indukcyjnych dużej mocy. Nie bez znaczenia jet także konieczność zapewnienia odpowiedniej rezerwy zailania, zwłazcza wtedy, gdy przewiduje ię wzrot mocy zapotrzebowanej. Rezerwa taka jet itotna również z tego względu, że wymiana kabli zybowych lub intalowanie dodatkowych jet przedięwzięciem względnie komplikowanym, zwłazcza w warunkach normalnego użytkowania zybu. Obciążalność długotrwała kabli elektroenergetycznych uzależniona jet przede wzytkim od zatoowanego materiału izolacyjnego żył roboczych. Obecnie za najbardziej korzytny materiał izolacyjny kabli górniczych uznawany jet polietylen uieciowany (XS). Obciążalność długotrwałą kabli zybowych ekranowanych o izolacji z polietylenu uieciowanego, na napięcie znamionowe 3,6/6 i 6/6 przedtawiono w drugiej kolumnie tabeli [9]. Obciążalność linii wiązkowych złożonych z 2 lub 3 kabli wyznaczono jako krotność odpowiednich obciążalności kabli pojedynczych zakładając, że poób intalowania kabli zybowych (odtęp pomiędzy kablami) zapewnia możliwość pominięcia wzajemnego oddziaływania cieplnego. Tabela Obciążalność długotrwała żył kabli zybowych ekranowanych i odpowiadające jej moce czynne obciążenia (dla coφ = 0,8) przy różnych wartościach napięcia znamionowego I d, mm 2 A P U n = 6 = d 3 U n I coj, U n = 0 U n = 5, MW U n = ,98 4,97 7, ,39 5,65 8, ,87 6,45 9, ,57 7,6, ,96 9,94 4,9 86 6,78,29 6, ,74 2, ,6 6,94 9,94,29 2,90 5,22 9,87 Obciążalność prądowa kabli o takim amym przekroju, lecz na różne napięcia znamionowe izolacji w ogólnym przypadku jet zróżnicowana. Przykładowo, w tabeli 2 przedtawiono tounek obciążalności wybranych przekrojów kabli o izolacji polietylenowej o różnych napięciach znamionowych do obciążalności kabli o napięciu 3,6/6. Z tabeli 2 wynika, że dla wyżzych napięć znamionowych obciążalność prądowa żył jet mniejza o kilka do kilkunatu procent. Ze zczegółowej analizy zjawik cieplnych w kablach ekranowanych górniczych o izolacji z polietylenu uieciowanego wynika jednak, że obciążalność długotrwała kabli na wyżze napięcia może być taka ama, jak kabli 3,6/6 [, 6]. Tabela 2 Stounek obciążalności wybranych przekrojów kabli w izolacji polietylenowej o różnych napięciach znamionowych do obciążalności kabli o napięciu 3,6/6, wg [0] mm 2 3,6/6 6/0 8,7/5 2/ ,02 0,93 0,96 0,90 0,87 0,87 0,80 0,82 0,85 Przyjmując dla kabli o wyżzych napięciach znamionowych obciążalność równą obciążalności kabli o napięciu 3,6/6, przedtawiono w tabeli (kolumny 3 do 6) obliczeniowe wartości mocy czynnych, które można długotrwale przeyłać kablami zybowymi. Obciążalność zwarciowa kabla zybowego powinna być dotoowana do wartości prądów zwarciowych wyznaczonych na początku kabla. Na ry. przedtawiono przykładowy chemat zailania podziemi kopalń poprzez kabel zybowy KSz, w układzie odpowiadającym typowym rozwiązaniom w zakładach górniczych. Minimalny przekrój żył kabla zybowego min ze względu na obciążalność zwarciową oblicza ię ze wzoru [9]: I T tha ka min = () J w którym I tha prąd zwarciowy zatępczy cieplny w obliczeniowym miejcu zwarcia Ak3 (ry. 2), T ka cza trwania zwarcia w obliczeniowym miejcu Ak3, J jednoekundowa dopuzczalna obciążalność zwarciowa przeliczona na mm 2 przekroju żyły kabla; dla izolacji żył z polietylenu uieciowanego można przyjąć J = 43 A/mm 2 [9]. W tabeli 3 przedtawiono obliczeniowe wartości minimalnych przekrojów żył kabli zybowych odpowiadające układowi z ry., w przypadku różnych wartości napięć znamionowych i różnych czaów trwania zwarcia T ka. Wyniki wkazują na malejące znaczenie warunku wytrzymałości zwarciowej kabla w miarę wzrotu wartości napięcia nominalnego ieci.

3 26 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA - dla ieci o napięciu 6 wiązka 3 kabli 3 85 mm 2, - dla ieci o napięciu 0 wiązka dwóch kabli 3 50 mm 2, - dla ieci o napięciu 5 jeden kabel mm 2 lub wiązka dwóch kabli 3 20 mm 2, - dla ieci o napięciu 20 jeden kabel 3 50 mm 2. Na ry. 2 przedtawiono wyniki obliczeń prądów zwarciowych na zynach rozdzielnic RG i RP bez uwzględnienia wpływu ilnika. Przewidywany wzrot pozczególnych prądów zwarciowych w wyniku oddziaływania ilnika przedtawia tabela 4. Ry.. Schemat przykładowego układu zailania podziemi kopalń z rozdzielnicy powierzchniowej RG przez kabel zybowy KSz Jedynie w ieci o napięciu nominalnym 6 i dopuzczalnych czaach T ka =,6, trzeba ię liczyć z koniecznością toowania przekrojów co najmniej 85 mm 2. Przy wyżzych napięciach nominalnych o przekroju kabla zybowego będzie decydowała obciążalność długotrwała. Tabela 3 Minimalne przekroje żył kabla KSz (ry. ) ze względu na dopuzczalną obciążalność zwarciową U n min, mm 2, dla różnych czaów trwania zwarcia T ka T ka =,6 T ka =,0 T ka = 0,5 T ka = 0, PRĄDY ZWARCIOWE DECYDUJĄCE O DOBORZE APARATURY I KABLI W ROZDZIELNICY POWIERZCHNIOWEJ RG I ROZDZIELNICY POZIOMOWEJ RP W ogólnym przypadku wyróżnić należy dwa znaczące rodzaje źródeł prądu zwarciowego, tzn. ytem elektroenergetyczny i ilniki średniego napięcia. Silniki mogą być zailane z rozdzielnicy powierzchniowej RG lub poziomowej RP (ry. ). W celu przeprowadzenia analizy prądów zwarciowych przyjęto natępujące przekroje kabli zybowych: 4. WYBÓR SPOSOBU UZIEMIENIA PUNKTU NEUTRALNEGO SIECI SN Spoób uziemienia punktu neutralnego ieci rozdzielczych SN jet jedną z najważniejzych cech tych ieci z ekploatacyjnego punktu widzenia [2]. Wiąże ię on bezpośrednio z bezpieczeńtwem ekploatacji układu elektroenergetycznego oraz ciągłością dotawy energii poprzez ieci SN do odbiorników. Do najważniejzych czynników branych pod uwagę przy wyborze poobu uziemienia punktu neutralnego ieci, należy zaliczyć m. in.: - wartość prądu ziemnozwarciowego z uwzględnieniem możliwości amogaśnięcia łuku w miejcu zwarcia, - zagrożenia związane z przepływem prądu w miejcu doziemienia. Wartość prądu ziemnozwarciowego w ieci o izolowanym punkcie neutralnym zależy od napięcia znamionowego ieci (U n ) oraz od pojemności doziemnej ieci. Przy podziewanym wzroście grubości izolacji pojemności doziemne kabli ekranowanych o wyżzych napięciach znamionowych będą malały. Mimo to wartość prądu ziemnozwarciowego wzrośnie. Wynika to z obliczeniowych przewidywanych parametrów kabli. Porównując przykładowo wartości jednotkowych prądów doziemnych kabli ekranowanych o przekroju 50 mm 2 i różnych napięciach znamionowych, otrzymamy natępujące relacje pomiędzy jednotkowymi prądami doziemnymi I zz : I zz 20 : I zz 5 : I zz 0 : I zz 6 = =,90 :,67 :,40 :,00 (2)

4 Nr 7(46) LIPIEC ipq IbQ IthQ(0,) IthQ(,6) 50 Prądy zwarciowe Un RG RP Ry. 2. Spodziewane wartości charakterytycznych prądów zwarciowych w przypadku zwarcia trójfazowego na zynach rozdzielnicy powierzchniowej RG i poziomowej RP, bez uwzględnienia prądów zwarciowych generowanych przez ilnik przy różnych wartościach napięcia znamionowego ieci Tabela 4 Względny przyrot prądów zwarciowych na zynach rozdzielnic RG i RP powodowany udziałem ilnika indukcyjnego M Napięcie nominalne ieci Względny przyrot prądów zwarciowych powodowany udziałem ilnika indukcyjnego M Rozdzielnica RG Rozdzielnica RP i p /i pq I b /I bq I th /I thq (0, ) I th /I thq (,6 ) i p /i pq I b /I bq I th /I thq (0, ) I th /I thq (,6 ) 6,9,4,6,2,3,8,26,4 0,20,5,5,2,27,7,24,3 5,20,6,7,22,24,7,23,23 20,20,6,22,22,24,7,24,24 W przypadku ieci z kompenacją ziemnozwarciową lub ieci uziemionej poprzez rezytor, pojemność doziemna nie będzie miała zaadniczego wpływu na wartość napięć dotykowych, ponieważ wartość prądu ziemnozwarciowego związana będzie ze topniem kompenacji lub wartością oporności rezytora uziemiającego punkt neutralny. Do najważniejzych zagrożeń związanych z przepływem prądu ziemnozwarciowego należą [4]: zagrożenie porażeniowe, zagrożenie pożarowe, a w kopalniach metanowych również zagrożenie wybuchowe. Z zagrożeń tych tounkowo łatwo można ocenić zagrożenie porażeniowe. Jego miarą ą wytępujące podcza doziemienia napięcia dotykowe. Należy tak wymiarować uziomy (SUPO), aby napięcie dotykowe, przy określonej wartości prądu ziemnozwarciowego, nie przekraczało wartości dopuzczalnej [8]. Napięcie dotykowe zależy przede wzytkim od wartości prądu ziemnozwarciowego, a ta z kolei (jak wpomniano wyżej) od pojemności doziemnej i napięcia znamionowego ieci (2). W takim amym tounku, w krajnym przypadku, będą mogły wzronąć wartości napięć dotykowych w ieci o izolowanym punkcie neutralnym. Wymagało to będzie odpowiednio wykonanego SUPO. Kierując ię doświadczeniami z kopalnianych ieci 6, nie należy przewidywać trudności z dotoowaniem pozczególnych uziomów i wypadkowej rezytancji uziemienia SUPO do wyżzych wartości prądów doziemnych. Decyduje o tym również fakt, że nie należy ię podziewać wzrotu całkowitego prądu ziemnozwarciowego proporcjonalnie do jednotkowych prądów doziemnych. W ieciach o wyżzych napięciach znamionowych toowane będą kable o mniejzych przekrojach (a więc i mniejzych jednotkowych prądach doziemnych) i ograniczona będzie liczba wiązek kablowych. Co do zagrożenia wybuchowego można twierdzić, że dla energii, wydzielającej ię w miejcu doziemienia, wybuch natąpi w każdym przypadku, w którym wytąpi tężenie wybuchowe miezaniny, a łuk ziemnozwarciowy pojawi ię na zewnątrz urządzenia. Znaczenie trudniej jet ująć ilościowo zagrożenie pożarowe. Z uwagi na wpomniane zagrożenia pożarowe i wybuchowe bardzo ważna jet

5 28 MECHANIZACJA I AUTOMATYZACJA GÓRNICTWA odpowiednia kontrukcja urządzeń, w tym kabli, ograniczająca możliwość wydotania ię łuku na zewnątrz. 5. WNIOSKI wzrotu wartości prądu ziemnozwarciowego. Przyjęcie innego poobu uziemienia punktu neutralnego wymaga przeprowadzenia zczegółowej analizy. Literatura:. W analizach rozwoju układu elektroenergetycznego zakładu górniczego celowym jet uwzględnianie zatoowania napięcia 0, a także napięć wyżzych, tj. 5 i Przełankami za wprowadzeniem podwyżzonego napięcia średniego (wyżzego niż 6 ) w układach elektroenergetycznych zakładów górniczych ą: ograniczenie liczby i przekroju kabli zybowych (a więc i koztów z nimi związanych), ograniczenie wartości prądów zwarć międzyfazowych, uniknięcie przy ew. dalzym wzroście mocy zapotrzebowanej lub wzroście rozległości ieci ponownego podwyżzania napięcia. 3. Podwyżzenie wartości napięcia w ieciach rozdzielczych o izolowanym punkcie neutralnym zakładów górniczych nie powoduje znaczącego wzrotu ryzyka związanego z użytkowaniem tych ieci. Spełnienie wymagań obecnie obowiązujących przepiów dotyczących ytemu uziemiających przewodów ochronnych zapewni nie przekroczenie dopuzczalnych wartości napięć dotykowych również w warunkach przewidywanego. Boron S.: Model matematyczny proceów cieplnych zachodzących w górniczych kablach i przewodach oponowych i jego zatoowanie do analizy obciążalności prądowej. Rozprawa doktorka, Gliwice 999 (niepublikowana). 2. Cholewa A., Gawor P.: Wpływ dodatkowych impedancji doziemnych na bezpieczeńtwo ekploatacji ieci zailających mazyny wyokowydajnych kompleków ścianowych. Bezpieczeńtwo Pracy i Ochrona Środowika w Górnictwie 2007, nr Gawor P., Boron S., Cholewa A., Heyduk A.: Analiza i wybór napięcia zailania odbiorników dużej mocy i rozdziału energii elektrycznej w podziemiach nowo budowanego rejonu Głogów Głęboki (opracowanie niepublikowane) Gliwice Kraucki F: Zagrożenia elektryczne w górnictwie. Katowice, Wydaw. Śląk Stazewki K.: Wprowadzenie napięcia 0 w podziemnej ieci elektroenergetycznej w KGHM Polka Miedź S.A. O/ZG Rudna. Mechanizacja i Automatyzacja Górnictwa 2004, nr IEC Publ. 287 Calculation of the continuou current rating of cable (00% load factor) PN-G-42000: 996. Górnictwo. Elektroenergetyka kopalniana. Napięcia znamionowe. 8. PN-G 4204: 997. Środki ochronne i zabezpieczające w elektroenergetyce kopalnianej. Sytem uziemiających przewodów ochronnych. Wymagania.. 9. PN-G-42060:997 Elektroenergetyka kopalniana Obciążalność przewodów oponowych i kabli toowanych w podziemnych wyrobikach zakładów górniczych. 0. Zarządzenie nr 29 MGiE z 27 lipca 974 r. w prawie doboru przewodów i kabli elektroenergetycznych do obciążeń prądem elektrycznym. PBUE z. 0. Recenzent: prof. dr hab. inż. Bogdan Miedzińki REQUIREMENTS FOR INCREASE IN RATED VOLTAGE OF SUPPLY DISTRIBUTION NETWORKS IN MINES The reult of analyi of a range and chance of uing the voltage higher than 6 in ditribution and power upply network at underground mine have been preented in the paper. In the analyi there have been taken into conideration the requirement reulted from limiting load-carrying capacity and hort-circuit trength of cable and apparatu a well a a afety of operation of electric equipment. ОБУСЛОВЛЕННОСТИ ПОВЫШЕНИЯ НОМИНАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ РАЗДАТОЧНЫХ И ПИТАЮЩИХ ЦЕПЕЙ В ГОРНЫХ ПРЕДПРИЯТИЯХ В статье представлены результаты анализа диапазона и возможности введения напряжений, превышающих 6кВ в распределительных и питающих цепях горных предприятий. В анализе учли обусловленности, вытекающие из допустимой загруженности и прочности на короткое замыкание кабелей и аппаратуры, а также безопасности эксплуатации электрооборудования.