СПОСОБ КОНТРОЛЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЩИТНОГО ЗАЗЕМЛЕНИЯ КАЛИЙНЫХ РУДНИКОВ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам и способам контроля состояния сетей заземления горных предприятий, и может быть использовано для непрерывного автоматического контроля сопротивлений сетей защитного заземления в подземных специфических условиях калийных рудников, также в аналогичных горно-геологических условиях, характеризующихся высоким удельным сопротивлением пород.

Непрерывный контроль сопротивлений защитного заземления является важнейшим условием гарантии обеспечения электробезопасности в уникальных специфических условиях калийных рудников, где требуется учитывать как фактор высокого удельного сопротивления горных пород, так и абсолютную недопустимость наличия грунтовых вод.

Известным способом измерений сопротивлений заземлений в различных условиях является способ амперметра-вольтметра [1-3]. Он основан на применении источника оперативного переменного тока и вспомогательных токового и потенциального электродов. Искомое сопротивление заземления определяют по показаниям вольтметра и амперметра. Этот способ является простым по методике применения. Однако он не пригоден для непрерывного автоматического контроля сопротивлений заземлений, так как необходимо фиксировать и обрабатывать показания приборов.

Для периодического контроля сопротивлений защитного заземления в калийных рудниках, как и на большинстве различных предприятий, в настоящее время применяются серийно выпускаемые измерительные приборы, например, такие как МС-08, М-1103, М-416, Ф-4103 и другие [4]. Принцип работы этих известных приборов основан на способе амперметра-вольтметра, реализованного в различных модификациях. Измерения сопротивлений заземления с использованием этих приборов, обычно, проводятся в порядке регламентных работ, то есть, непрерывный автоматический контроль сопротивлений сетей защитного заземления в калийных рудниках с их применением обеспечить невозможно.

Отличительной особенностью сети защитного заземления калийного рудника, по сравнению с угольными шахтами или рудниками с другим видом полезных ископаемых, является то, что главный заземлитель находится на поверхности рудника, то есть по существу он является выносным. В качестве второго резервного главного заземлителя используют металлическую тюбинговую крепь ствола. Местные заземлители в руднике согласно Правилам безопасности допускается не устраивать в виду их низкой эффективности из-за высокого удельного сопротивления пород. Заземляющая магистраль сети защитного заземления выполняется в виде параллельно соединенных стальной брони и свинцовой оболочки кабелей и дополнительного заземляющего контура (ДЗК) в виде стальных проводников сечением 200-100 мм². Магистраль прокладывается от главного заземлителя по стволу и далее по штрекам рудника до границ шахтного поля. Протяженность ветвей заземляющей магистрали может составлять 3-5 км и более. В ходе горных работ протяженность отдельных ветвей может существенно изменяться.

Удельное сопротивление горных пород на разных участках (добычных, подготовительных работ, транспортных откаточных штреках, участках закладки выработок и др.) может быть различным. Поэтому при обосновании величин нормируемого сопротивления заземления для сети защитного заземления калийного рудника целесообразно применять рекомендации Правил устройства электроустановок (ПУЭ) (гл. 1.7, п. 1.7.108). А именно, рассчитывать эти величины с использованием соотношения R_{з.норм.расч.}=0,002ρ_фактR_з.норм. Фактическую величину удельного сопротивления грунта следует определять путем измерений на конкретном участке горных работ, то есть принимать ρ_факт.=ρ_изм.

Наиболее близким способом того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является способ контроля сопротивлений защитного заземления, раскрытый в патенте РФ на полезную модель №69336 от 10.12.2007 г. [7]. Согласно способу измерения проводят поэтапно с ручным переключением в схеме измерений и ручной подстройкой показаний измерительного прибора. На первом этапе оперативный ток в схеме протекает через калибровочный резистор с сопротивлением 4 (Ом). На схему регистрации результатов подают напряжение с этого резистора. Ручной подстройкой выставляют на приборе значение 4 (Ом). Затем, на втором этапе производят ручное переключение в токовой цепи и после этого с использованием напряжения на контролируемом сопротивлении заземления регистрируют новое показание измерительного прибора. Далее по результатам сравнения показаний прибора, полученных на двух этапах измерений, судят о состоянии контролируемого заземления. Данный способ принят в качестве прототипа.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - способ контроля сопротивления защитного заземления калийных рудников, основанный на измерениях с применением источника оперативного переменного тока, токового и потенциального электродов, обработке результатов измерений и формировании сигналов о состоянии сети заземления.

Существенным недостатком технического решения по прототипу является то, что его невозможно применять для непрерывного автоматического контроля сопротивлений заземления в калийных рудниках из-за необходимости проводить ручное переключение в цепи оперативного тока и ручную подстройку показаний измерительного прибора.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, -обеспечение возможности непрерывного автоматического контроля сопротивления защитного заземления калийных рудников.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном способе контроля сопротивлений защитного заземления калийных рудников, основанном на измерениях с применением источника оперативного переменного тока, токового и потенциального электродов, обработке результатов измерений и формировании сигналов о состоянии сети заземления, согласно изобретению в токовой цепи схемы измерений последовательно с источником оперативного тока применяют эталонный резистор, величину сопротивления которого устанавливают в К_крат. раз большей величины нормируемого сопротивления защитного заземления R_з.норм. для заданного места контроля в сети заземления рудника, используют значения падения напряжения на упомянутом эталонном резисторе U_э и напряжения на контролируемом заземлении U_з.х и вычисляют значение контролируемого в заданной точке сопротивления защитного заземления по формуле:

где К_крат. - коэффициент кратности, равный 100; 200 и др.;

R_з.норм. - величина нормируемого сопротивления защитного заземления для заданного места контроля в сети заземления рудника, Ом;

U_з.х - напряжение на контролируемом заземлении, В;

U_э - напряжения на эталонном резисторе, В,

затем вычисленную величину логически сравнивают с величиной нормируемого сопротивления заземления и формируют информационный сигнал о состоянии заземления: при R_з.x≤R_з.норм. - сигнал «Нормальное», при R_з.x>R_з.норм. - сигнал «Аварийное».

Целесообразно информационные сигналы использовать как для местной сигнализации о состоянии защитного заземления в заданных точках контроля сети заземления, так и для дистанционного централизованного контроля, для чего сформированные информационные сигналы со всех точек контроля сети заземления рудника передают по линиям связи, например по оптоволоконным линиям, на пункт кодирования и уплотнения сигналов и затем по общей линии связи на пункт диспетчерского контроля рудника.

Признаками заявляемого способа, отличительными от прототипа являются: применяют в токовой цепи схемы измерений последовательно с источником оперативного тока эталонный резистор, величину сопротивления которого устанавливают в К_крат. раз большей величины нормируемого сопротивления защитного заземления R_з.норм. для заданного места контроля в сети заземления рудника; используют значения падения напряжения на упомянутом эталонном резисторе U_э и напряжения на контролируемом заземлении U_з.х; вычисляют значение контролируемого в заданной точке сопротивления защитного заземления по формуле:

сравнивают вычисленную величину логически с величиной нормируемого сопротивления заземления; формируют информационный сигнал о состоянии заземления: при R_з.х≤R_з.норм. - сигнал «Нормальное», при R_з.х>R_з.норм. - сигнал «Аварийное»; используют информационные сигналы как для местной сигнализации о состоянии защитного заземления в заданных точках контроля сети заземления, так и для дистанционного централизованного контроля, для чего сформированные информационные сигналы со всех точек контроля сети заземления рудника передают по линиям связи, например по оптоволоконным линиям, на пункт кодирования и уплотнения сигналов и затем по общей линии связи на пункт диспетчерского контроля рудника.

В предлагаемом же способе дополнительный эталонный резистор применяют с изменяемой величиной сопротивления. Величину сопротивления этого резистора устанавливают в К_крат. раз большей величины нормируемого сопротивления заземления R_з.норм. (Ом) для конкретного места измерений в руднике (то есть для конкретной точки в сети заземления). Это условие предлагается применять, чтобы уменьшить влияние большого и нестабильного сопротивления токового электрода на величину оперативного тока в цепи измерений. Обеспечение условия соизмеримости сопротивлений эталонного резистора и сопротивления токового электрода будет повышать точность измерений.

В предлагаемом способе непрерывного автоматического контроля сопротивлений защитного заземления калийных рудников недостатки прототипа отсутствуют. При осуществлении способа в ходе измерений и контроля, после предварительной подготовки, никаких переключений и подстроек производить не требуется.

Достигается это тем, что на пункте контроля вблизи заданной точки сети защитного заземления рудника по известной методике заранее располагают токовый и потенциальный электроды. Делают необходимые подключения к электродам и к сети заземления. Выставляют предварительно подготовленные уставки для функциональных модулей схемы контроля. Все дальнейшие операции по осуществлению предлагаемого способа выполняются в автоматическом режиме.

На фиг. 1-3 приведены схемы, поясняющие суть предлагаемого способа.

На фиг. 1 приведен фрагмент схемы сети защитного заземления рудника.

На нем обозначены: главный заземлитель - ГЗ; резервный главный заземлитель, то есть тюбинговая крепь ствола - ТК; заземляющая магистраль с ответвлениями и характерными точками контроля сопротивлений заземления - ЗМ.

Эти точки относятся к стационарной сети заземления. Передвижное оборудование в руднике заземляют с помощью заземляющей жилы гибких кабелей путем присоединения к стационарной сети. Для передвижного оборудования используют известные схемы и устройства контроля целостности заземляющих жил кабелей.

Фиг. 2 поясняет порядок подключения источника оперативного тока - ИТ, эталонного резистора - R_э. Кроме того, в схеме отражено расположение токового - Т и потенциального - П электродов, а также показаны напряжения на участках токовой цепи U_э и U_з.х, используемые для необходимых вычислений.

На фиг. 3 приведена структурно-функциональная схема предлагаемого способа контроля сопротивлений заземления.

На ней обозначены: 1 - измерительно-вычислительный модуль; 2 - логический элемент сравнения и формирования информационных сигналов; 3 - модуль для местной индикации и сигнализации; 4 - многоканальный (по числу точек контроля) модуль для кодирования и уплотнения информационных сигналов; 5 - диспетчерский пункт контроля рудника.

Измерения и контроль сопротивлений в сети заземления по предлагаемому способу осуществляют в следующем порядке.

В схеме измерений оперативный переменный ток I_опер обеспечивает источник тока ИТ. Этот ток протекает через эталонный резистор R_э, величину сопротивления которого предварительно устанавливают в К_крат. раз большей величины нормируемого сопротивления заземления R_з.норм. для заданного места проведения измерений в руднике. Также I_опер протекает по элементам сети заземления с искомым сопротивлением R_з.х и далее через токовый электрод Т.

Для определения величины R_з.х используют падение напряжения на эталонном резисторе U_э и напряжение на контролируемом заземлении R_з.х. Эти напряжения подают на входы измерительно-вычислительного модуля 1. С помощью этого модуля с учетом уставки значения К_крат. по заданному алгоритму вычисляют величину искомого сопротивления:

Далее с помощью функционального элемента 2 делают логическое сравнение вычисленной величины R_з.х и нормируемой величины R_з.норм. Если окажется, что R_з.х≤R_з.норм., то на выходе упомянутого элемента 2 формируют информационный сигнал «Нормальное», или при условии, что R_з.х>R_з.норм., то на другом его выходе формируют сигнал «Аварийное» состояние заземления. Полученные сигналы о величине R_з.х (Ом) и о результатах сравнения с R_з.норм.. (Ом) передают на модуль местной индикации и сигнализации 3.

Для повышения эффективности контроля состояния сети заземления, измерения сопротивлений целесообразно проводить одновременно для нескольких характерных точек в сети защитного заземления рудника. Для этого следует оборудовать соответствующее число пунктов контроля, проложить необходимые линии связи. Это позволит обеспечить групповой централизованный и диспетчерский контроль состояния сети защитного заземления.

В структурно-функциональной схеме осуществления предлагаемого способа на фиг. 3 приведены функциональные модули 4 и 5, которые используют для группового контроля. С помощью модуля 4 проводят кодирование информационных сигналов, поступающих по линиям связи, например по оптоволоконным линиям, с других пунктов (точек) контроля. В этом же модуле производят и уплотнение сигналов для передачи их на диспетчерский пункт рудника 5. Модуль 4 целесообразно разместить вблизи ствола рудника, например, в выработке размещения центральной подземной подстанции (ЦПП).

При анализе других известных технических решений заявителем не выявлена совокупность существенных признаков, отличающих заявляемый способ от известных решений, обеспечивающая возможность осуществления непрерывного автоматического контроля сопротивлений защитного заземления калийных рудников. То есть можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Для осуществления предлагаемого способа контроля сопротивлений защитного заземления не потребуется применять сложные технические элементы и устройства. Наиболее просто это можно выполнить с применением современных микропроцессорных устройств и известных элементов промышленной электроники.

Математической основой возможности вычисления значения R_з.х с использованием величин падения напряжения на эталонном резисторе U_э и напряжения на контролируемом заземлении U_з.х является следующее несложное обоснование.

В схеме измерений (см. фиг. 2) величина оперативного тока I_опер в последовательно соединенных элементах токовой цепи R_э и R_з.х одинакова. Для величин напряжений справедливо условие:

Из этих выражений следует, что:

В предлагаемом способе величину сопротивления эталонного резистора R_э устанавливают равной:

Следовательно, на основании равенства (2) и условия (3) можно записать, что:

Именно эта несложная формула реализуется в алгоритме измерительно-вычислительного модуля 1 структурно-функциональной схемы.

Предлагаемый способ контроля сопротивлений защитного заземления обеспечит возможность осуществлять систематический мониторинг состояния сетей заземления калийных рудников. Непрерывный контроль будет способствовать гарантии обеспечения электробезопасности горных работ.

Проведение регулярного автоматического контроля сопротивлений защитного заземления обеспечит возможность не проводить обязательные регламентные работы измерений квалифицированным персоналом. Это снизит затраты предприятия, будет способствовать повышению эффективности производства.

Источники информации:

1. Найфельд, М.Р. Заземление, защитные меры электробезопасности: производственно-практическое издание / М. Р. Найфельд. - 4-е изд., перераб. и доп. - Москва: Энергия, 1971. - 311 с.

2. Бариев, Н.В. Обслуживание заземляющих устройств на горнорудных и угольных предприятиях: научное издание / Н.В. Бариев. - М.: Недра, 1977. - 94 с.

3. Долин П.А. Основы техники безопасности в электроустановках: учеб. пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984.-448 с.

4. Кораблев, В.П. Устройства электробезопасности / В.П. Кораблев. - Москва: Энергия, 1979. - 70 с.

5. Правила устройства электроустановок. 7-е изд. - Новосибирск: СУИ, 2005. - 279 с.

6. Устройство контроля заземления карьерных электроустановок. Патент на полезную модель №69336, МПК Н02Н, опубл. 10.12.2007, бюл. №34.